关注下方公众号
获取更多前沿期刊速递和精彩学术报告回放
2025年2月14日，
北京大学
马丁
教授
和
周继寒
研究员
，中国科学院大学
周武
研究员
和英国卡迪夫大学
Graham J. Hutchings
院士
等人
设计了一种高密度单原子 Pt₁/Ir₁ 负载于 α-钼碳化物（α-MoC）上的催化剂，在 270°C 条件下，以 331.3 mmol g⁻¹ h⁻¹ 的高效速率制备氢气，并实现 84.5% 的乙酸选择性，相较于传统乙醇蒸汽重整更具能效优势。该策略不仅减少了 CO₂ 生成，同时提高了副产物乙酸的经济价值。技术经济分析表明，该方法在工业规模上具有盈利潜力，可为低碳氢气生产提供可行的技术路线。
相关文章以“
Thermal catalytic reforming for hydrogen production with zero CO
2
emission
”为题发表在
Science
上！
值得注意的是，马丁教授和周武研究员昨日刚刚联手发表一篇Nature重磅成果！
氢气（H₂）是未来清洁能源和化工行业的重要原料，目前主要通过化石燃料重整制备，但伴随大量二氧化碳（CO₂）排放。水电解和生物质气化等绿色制氢技术虽然能够降低碳排放，但仍面临效率低、成本高、规模化受限等问题。传统乙醇部分氧化（C₂H₅OH + 1.5O₂ → 2CO₂ + 3H₂）和全蒸汽重整（C₂H₅OH + 3H₂O → 2CO₂ + 6H₂）技术虽然可以减少化石燃料依赖，但仍然将乙醇中的所有碳转化为 CO₂，难以实现碳中和。本研究提出了一种新型热催化乙醇部分重整反应（C₂H₅OH + H₂O → CH₃COOH + 2H₂），在避免 C-C 键断裂的同时，以高选择性合成乙酸，并获得高效氢气产率，实现近零 CO₂ 排放，为清洁氢能生产提供了新路径。
1.创新乙醇部分重整策略，实现近零 CO₂ 排放：
通过引入 α-MoC 负载的 Pt/Ir 单原子催化剂，实现乙醇与水的部分重整，生成乙酸和氢气，而非传统路线中的 CO₂，显著减少碳排放。
2.Pt/Ir 单原子催化剂高效促进氢气与乙酸共生成：
该催化剂在 270°C 下表现出 331.3 mmol g⁻¹ h⁻¹ 的氢气产率，并以 84.5% 的高选择性合成乙酸，避免了 C-C 键断裂导致的 CO₂ 副产物。
3.热催化路径能效更优，经济可行：
该方法相比传统蒸汽重整工艺具有更低的能耗，同时提高了副产物乙酸的经济价值。技术经济分析表明，该工艺可在工业规模下实现盈利，并显著减少化石能源消耗。
4.催化剂高稳定性，长期运行无明显衰减：
在 100 小时耐久性测试中，该催化剂的氢气产率仅下降 21%，催化剂结构保持稳定，展现出较长的使用寿命，具有产业化潜力。
图1：不同氢气制备路线的对比与乙醇重整反应网络该图系统性地对比了各种氢气制备路径的能效和成本，并提出了乙醇重整的不同反应路径。相较于传统蒸汽重整和部分氧化，所提出的部分重整策略（C₂H₅OH + H₂O → CH₃COOH + 2H₂）能够有效减少 CO₂ 生成，并保留乙醇中的碳资源，提高氢气收率。
图2：Pt/Ir-α-MoC 催化剂的结构表征该图展示了催化剂的结构及其高分散金属位点的分布。（A）XRD 结果显示，当 Ir 加入后，Pt 在 α-MoC 上的分散性大幅提高，避免形成大尺寸金属颗粒。（B）EXAFS 分析证实了 Pt/Ir 在 α-MoC 上的高度分散性。（C-F）STEM 和 EELS 显示 Pt 和 Ir 主要以单原子或小团簇形式存在于 α-MoC 上。（G-H）三维原子电子断层扫描（AET）进一步揭示了催化剂中单原子 Pt/Ir 的分布状态，表明 Ir 可显著提高 Pt 物种的分散度，从而增强催化活性。
图3：乙醇部分重整反应的机理研究该图通过原位光谱技术揭示了催化剂的反应过程。（A-B）近环境 XPS 研究表明，在 3Pt3Ir/α-MoC 催化剂表面，水和乙醇可在室温下解离，生成羟基物种。（C）FTIR 结果表明，3Pt3Ir/α-MoC 能高效催化乙醇重整，促进乙酸生成，同时抑制 C-C 键断裂和 CO₂ 形成，与单独 Pt 或 Ir 催化剂相比，表现出更优的催化活性。
图4：催化剂的性能评估该图比较了不同催化剂在乙醇部分重整反应中的表现。（A）和（B）分别展示了不同催化剂在乙醛和乙醇重整中的选择性和氢气生成速率。3Pt3Ir/α-MoC 表现出最高的氢气产率和乙酸选择性，避免了 C-C 键断裂导致的副产物生成。（C）100 小时耐久性测试显示，催化剂的氢气产率仅衰减 21%，结构保持稳定。（D）与文献报道的热催化、光催化和电催化乙醇重整工艺对比，本文催化剂表现出更高的氢气生成速率和更优的乙酸选择性。
图5：DFT 计算揭示催化剂的反应机理该图展示了 DFT 计算得到的乙醇重整反应路径。（A-D）在 α-MoC 和 Pt(111) 及 Pt(210) 表面上计算了乙醇的解离能垒，结果表明 Pt(210) 易导致 C-C 键断裂，生成 CO₂ 和 CH₄。（E-F）在 Pt₁/MoC 和 Ir₁/MoC 单原子位点上计算了乙酸的形成路径，发现单原子位点能显著降低反应能垒，促进乙酸生成，并抑制副反应发生。这些计算结果进一步证明，高密度 Pt₁/Ir₁ 物种的存在对于高选择性乙醇部分重整至关重要。
本研究提出了一种新型乙醇部分重整策略，基于高密度 Pt₁/Ir₁ 负载于 α-MoC 的催化剂，实现了 331.3 mmol g⁻¹ h⁻¹ 的高效氢气产率，并以 84.5% 的高选择性合成乙酸，显著降低了 CO₂ 排放。催化剂在 100 小时稳定运行后仍保持良好的催化活性，展现出优异的耐久性。技术经济分析表明，该方法在工业规模下具有可观的经济效益，可为未来低碳氢气生产提供重要技术支持。未来研究可进一步优化催化剂配方，拓展该策略在不同生物质衍生物转化中的应用，以促进碳中和氢能生产的发展。
Thermal catalytic reforming for hydrogen production with zero CO₂ emission.Science.DOI: 10.1126/science.adt0682
原文链接
:
https://science.org/doi/10.1126/science.adt0682
内容仅做学术分享之用，版权归原作者所有，若涉及侵权等行为，请联系我们删除！
