近日，北京大學(xué)發(fā)布消息，《自然》雜志2月12日刊發(fā)了一項(xiàng)顛覆性催化技術(shù)突破：北京大學(xué)馬丁教授課題組與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武教授課題組合作，開(kāi)發(fā)出全球首例兼具超高活性與超長(zhǎng)穩(wěn)定性的甲醇-水重整制氫催化劑。該研究通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的稀土氧化物“納米防護(hù)盾”技術(shù)，將鉑基催化劑的持續(xù)工作時(shí)間提升至1000小時(shí)以上，催化轉(zhuǎn)化數(shù)突破1500萬(wàn)次大關(guān)。
在甲醇-水重整產(chǎn)氫反應(yīng)體系中，傳統(tǒng)鉑/立方相碳化鉬催化劑（Pt/α-MoC）雖在低溫條件下展現(xiàn)卓越制氫效率和超高催化活性，但活性載體遇水氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化的問(wèn)題始終無(wú)解——這直接造成現(xiàn)有催化劑平均壽命不足200小時(shí)。研究團(tuán)隊(duì)聚焦困擾催化領(lǐng)域多年的“活性-穩(wěn)定性權(quán)衡”難題，針對(duì)Pt/α-MoC體系存在的致命缺陷展開(kāi)攻關(guān)。
研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)催化劑活性位點(diǎn)的分子級(jí)精準(zhǔn)防護(hù)，創(chuàng)造性地在Pt/γ-Mo?N催化劑表面構(gòu)筑鑭系氧化物納米覆蓋層，形成三重防護(hù)機(jī)制：物理屏障，薄至單原子厚的惰性La?O?層隔絕水分子與高活性載體直接接觸；結(jié)構(gòu)調(diào)控：稀土保護(hù)層阻止Pt物種的遷移和聚集；位點(diǎn)鎖定：選擇性覆蓋非必要表面位點(diǎn)，保留關(guān)鍵催化活性界面。
這種“精準(zhǔn)防護(hù)”理念帶來(lái)驚人效果：在240°C反應(yīng)條件下，新型Pt/La-Mo?N催化劑的衰減速率較傳統(tǒng)催化劑降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，持續(xù)運(yùn)行42天后仍保持98%以上初始活性；1500萬(wàn)的催化轉(zhuǎn)化數(shù)更是刷新該領(lǐng)域世界紀(jì)錄，相當(dāng)于單個(gè)Pt原子在運(yùn)行周期內(nèi)可以制備超過(guò)1500萬(wàn)個(gè)氫氣分子，為長(zhǎng)期穩(wěn)定制氫提供技術(shù)保障。
此外，該研究展現(xiàn)出強(qiáng)大的拓展性，證實(shí)釔（Y）、鐠（Pr）、鈥（Ho）等稀土元素，甚至鍶（Sr）等非稀土元素均可構(gòu)建類似防護(hù)層。這種“元素工具箱”特性為定制化催化劑開(kāi)發(fā)提供了無(wú)限可能。為未來(lái)兼具“高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性”的高性能界面催化劑的設(shè)計(jì)提供了全新思路。
該技術(shù)突破不僅使生物甲醇等綠色氫源的大規(guī)模應(yīng)用成為可能，其防護(hù)策略還可延伸至氨分解、燃料電池、可持續(xù)化學(xué)工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域，為全球能源轉(zhuǎn)型提供可能方案。
