近日,北京大學發布消息,《自然》雜志2月12日刊發了一項顛覆性催化技術突破:北京大學馬丁教授課題組與中國科學院大學周武教授課題組合作,開發出全球首例兼具超高活性與超長穩定性的甲醇-水重整制氫催化劑。該研究通過獨創的稀土氧化物“納米防護盾”技術,將鉑基催化劑的持續工作時間提升至1000小時以上,催化轉化數突破1500萬次大關。
在甲醇-水重整產氫反應體系中,傳統鉑/立方相碳化鉬催化劑(Pt/α-MoC)雖在低溫條件下展現卓越制氫效率和超高催化活性,但活性載體遇水氧化導致結構退化的問題始終無解——這直接造成現有催化劑平均壽命不足200小時。研究團隊聚焦困擾催化領域多年的“活性-穩定性權衡”難題,針對Pt/α-MoC體系存在的致命缺陷展開攻關。
研究團隊首次實現了對催化劑活性位點的分子級精準防護,創造性地在Pt/γ-Mo?N催化劑表面構筑鑭系氧化物納米覆蓋層,形成三重防護機制: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;結構調控:稀土保護層阻止Pt物種的遷移和聚集;位點鎖定:選擇性覆蓋非必要表面位點,保留關鍵催化活性界面。
這種“精準防護”理念帶來驚人效果:在240°C反應條件下,新型Pt/La-Mo?N催化劑的衰減速率較傳統催化劑降低兩個數量級,持續運行42天后仍保持98%以上初始活性;1500萬的催化轉化數更是刷新該領域世界紀錄,相當于單個Pt原子在運行周期內可以制備超過1500萬個氫氣分子,為長期穩定制氫提供技術保障。
此外,該研究展現出強大的拓展性,證實釔(Y)、鐠(Pr)、鈥(Ho)等稀土元素,甚至鍶(Sr)等非稀土元素均可構建類似防護層。這種“元素工具箱”特性為定制化催化劑開發提供了無限可能。為未來兼具“高活性、高選擇性和高穩定性”的高性能界面催化劑的設計提供了全新思路。
該技術突破不僅使生物甲醇等綠色氫源的大規模應用成為可能,其防護策略還可延伸至氨分解、燃料電池、可持續化學工業等關鍵領域,為全球能源轉型提供可能方案。
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