邓亚萍复盘混双赛

中国科大在高效去除氢气中微量CO研究方面取得突破性进展

发布者:刘建(jian)伟发布时间:2018-02-21浏览次数:1132

氢(qing)(qing)能(neng)是(shi)(shi)未(wei)来最理想的(de)(de)一种(zhong)清洁(jie)(jie)能(neng)源。氢(qing)(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)(dian)池(chi)汽(qi)车(che)以氢(qing)(qing)气(qi)(qi)为(wei)燃料(liao)(liao),能(neng)量转化(hua)(hua)效(xiao)率高,清洁(jie)(jie)零排放,是(shi)(shi)未(wei)来新能(neng)源清洁(jie)(jie)动力汽(qi)车(che)的(de)(de)主要发展方向之(zhi)一。然(ran)而氢(qing)(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)(dian)池(chi)汽(qi)车(che)的(de)(de)推(tui)广目前仍然(ran)困难重(zhong)(zhong)重(zhong)(zhong),其中一个关键难题是(shi)(shi)氢(qing)(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)(dian)池(chi)电(dian)(dian)极的(de)(de)CO中毒问题。现阶段,氢(qing)(qing)气(qi)(qi)主要来源于甲醇和(he)天然(ran)气(qi)(qi)等碳氢(qing)(qing)化(hua)(hua)合物的(de)(de)水蒸汽(qi)重(zhong)(zhong)整、水煤(mei)气(qi)(qi)变换反应(ying)等,通常含有0.5%~2%的(de)(de)微(wei)量CO。作(zuo)(zuo)为(wei)氢(qing)(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)(dian)池(chi)汽(qi)车(che)的(de)(de)“心脏”,燃料(liao)(liao)电(dian)(dian)池(chi)电(dian)(dian)极极易被CO杂质气(qi)(qi)体毒化(hua)(hua),从而致(zhi)使电(dian)(dian)池(chi)性能(neng)降(jiang)低(di)和(he)寿命缩(suo)短(duan),严重(zhong)(zhong)限制了该类汽(qi)车(che)的(de)(de)推(tui)广。富氢(qing)(qing)氛围(wei)CO优先氧化(hua)(hua)(PROX)是(shi)(shi)车(che)载去除氢(qing)(qing)气(qi)(qi)中微(wei)量CO的(de)(de)最理想方式。然(ran)而现有PROX催化(hua)(hua)剂工作(zuo)(zuo)温(wen)度相对较高(室温(wen)以上(shang))且区间窄(zhai),无法在寒冷(leng)条件下为(wei)氢(qing)(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)(dian)池(chi)频繁冷(leng)启动过程中提供有效(xiao)保护。

针对该技术难题,中国科学技术大学路军岭教授、韦世强教授、杨金龙教授等课题组密切合作,利用原子层沉积技术(ALD),首次设计出一种新型Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化剂结构(图1),并在低温高效去除氢气中微量CO制备高纯氢气方面取得突破性进展。研究成果以“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H2”为题,于2019年1月(yue)31日在(zai)线(xian)发表在(zai)国际权威期刊《Nature》上。


图1.Fe1(OH)x-Pt单位点界面新型催化剂结构模型示意图。这里蓝色、黄色、红色、白色小球分别代表铂、铁、氧和氢原子。

该工作中,路军岭课题组充分利用ALD技术中的表面自限制反应以及二茂铁金属源在贵金属表面解离吸附和分子间空间位阻效应的特性,成功地在SiO2负载的Pt金属纳米颗粒表面上,原子级精准地构筑出单位点Fe1(OH)x物种,进而促成了丰富且具有超高活性和高稳定性的Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化活性中心的形成。在PROX反应中,研究人员利用该新型催化剂首次在~-75 °C至110 °C的超宽温度区间,成功实现了100%选择性地CO完全去除(图2a,b),极大突破了现有PROX催化剂工作温度相对较高且区间窄的两大局限性,为氢燃料电池在寒冷条件下频繁冷启动和连续运行期间避免CO中毒,提供了一种全方位的有效保护手段,从而为未来氢燃料电池汽车的推广扫清了一重大障碍。更难能可贵的是,该催化剂在模拟真实环境,即CO2和水汽都存在的情况下,仍可表现出极佳的稳定性(图2c),且比质量催化活性(5.21 molCOh-1gPt-1)是传统Pt/Fe2O3催化剂的30倍(图2d)。


图2.利用ALD方法制备出来的1cFe-Pt/SiO2、2cFe-Pt/SiO2、3cFe-Pt/SiO2单位点界面催化剂和常规Pt/SiO2、Pt/Fe2O3催化剂在PROX反应中的催化性能对比。(a)CO转化率;(b)CO选择性;反应条件:1% CO、0.5% O2和48% H2,平衡气为氦气,空速为36,000 ml g−1 h−1,压力为 0.1 MPa。(c)1cFe-Pt/SiO2催化剂的长时间稳定性测试。反应条件:1% CO、0.5% O2、48% H2、20% CO2和3% H2O,平衡气为氦气,空速为36,000 ml g−1h−1; 压力为 0.1 Mpa,反应温度为353 K。(d)催化剂比质量活性的对比。

韦世强教授课题组利用原位X射线吸收谱(XAFS)从实验上探测到Fe1(OH)x物种在PROX反应气氛中的结构是Fe1(OH)3,Fe原子与Pt纳米颗粒表面Pt原子形成Fe-Pt的金属键,而无明显的Fe-Fe键,并且惊奇地发现该物种具有超高还原特性,在室温就实现氢气还原生成Fe1(OH)2,揭示了其高催化活性的内在原因。王兵教授课题组利用扫描隧道电子显微镜(STM)研究了FeOx ALD在Pt单晶表面的生长行为,观察到了亚纳米尺寸FeOx物种的形成,从而直接证明了在Pt表面上形成单分散Fe物种的可能性。与此同时,近常压X-射线光电子能谱(NAP-XPS)实验也进一步证实PROX反应气氛下,与Fe成键的氧物种是羟基物种。

杨金龙教授课题组理论计算确定了Fe1(OH)3在Pt表面上的空间构型,证实Pt颗粒表面上形成的Fe1(OH)x-Pt单位点界面是其催化活性中心,并揭示了其催化反应机理:吸附的CO首先进攻其中一个OH,形成COOH表面中间物种;此后,O2在该界面处以极低的势垒活化;形成的原子O随后进攻COOH,最终生成CO2

众所(suo)周知,金(jin)属—氧(yang)化物界面在众多催化反应(ying)中(zhong)起(qi)着至关重要(yao)的作用。该工作为人们设(she)计高(gao)活(huo)性金(jin)属催化剂提供了一(yi)新(xin)思路(lu)。

该(gai)项(xiang)研究(jiu)得到(dao)了国(guo)家自然科(ke)学基(ji)金、国(guo)家重点研发计划、国(guo)家基(ji)础科(ke)学中心项(xiang)目、瑞典瑞典研究(jiu)协会和(he)克努特和(he)爱(ai)丽丝布·瓦伦堡基(ji)金会的支持,并由衷地感谢北京同(tong)步辐(fu)射、上海(hai)同(tong)步辐(fu)射、合(he)肥国(guo)家同(tong)步辐(fu)射中心以(yi)及瑞典Max-lab等国(guo)家实验室为该(gai)项(xiang)研究(jiu)提供(gong)的宝贵机时。


论(lun)文链接:


(合(he)肥微尺(chi)度(du)物质科学(xue)(xue)国家(jia)研(yan)究中心、国家(jia)同(tong)步辐(fu)射(she)实验室(shi)、化学(xue)(xue)与材料(liao)科学(xue)(xue)学(xue)(xue)院(yuan)、科研(yan)部(bu))


xml地图 | sitemap地图
英雄联盟
分享到:QQ空间新浪微博腾讯微博人人网微信
周杰伦 周杰伦 11省份有大到暴雨 婴儿被埋一天获救 Without Me 大赢家 What If Love 杨毅 万古神帝 武汉实验室没泄漏 英超直播 熊出没之夏日连连看 一念永恒 中国女排不敌美国我和我的祖国 猫和老鼠 网恋被骗八百多万 钟南山凡尔赛发言 老年版APP兴起武汉实验室没泄漏 炉石传说长安汽车 做家务的男人2 修罗武神烟火里的尘埃 美好的日子 王俊凯 下一位前度 加州烟霾飘到纽约 一念永恒 奥迪 我不是潘金莲 叛逆者 武炼巅峰 英超 盗墓笔记 鞠婧祎 张家齐夺冠母亲喜极而泣 唐人街探案3大决战 王俊凯 杨紫 刑侦日记 极限挑战宝藏行 全球失业危机加剧郑州学校战时状态 寻情记 凯迪拉克 吉利 双世宠妃3非诚勿扰 孙权 路虎赵丽颖 自费40万环游世界 鹤壁降水量超郑州 海上繁花 王牌对王牌 革命者 凯迪拉克 大赢家 新乡这些地方做好紧急转移准备 桂纶镁 千古玦尘 | 下一页
Baidu
sogou
百度 搜狗 360