山西煤化所在催化產氫反應研究中取得進展

溢流現象在多相催化反應中普遍存在，一直備受關注。催化過程中，不僅催化活性中心處于動態變化過程，溢流現象表明，活性物種的遷移傳輸也不容忽視，它加大了催化的復雜性。深入認識溢流效應，有助于闡明催化機理，是實現高效催化劑理性設計的前提條件。

氫氣作為一種很有發展前途的綠色能源，得到了日益廣泛的重視。在碳達峰、碳中和目標下，氫能地位逐步提升。基于儲氫材料的高效催化產氫是目前最有前途的儲氫、制氫技術之一。然而，在多組分催化劑催化的產氫反應中，由于難以構建結構明確的催化劑以及原位表征手段的限制，反溢流效應對催化性能的促進機制仍然不明晰。

近日，山西煤炭化學研究所高哲研究員和覃勇研究員團隊基于前期對氫溢流協同效應的認識，進一步利用原子層沉積（ALD）技術構建了空間分離的NiO/Al2O3/Pt雙組分催化劑，通過原位X射線吸收近邊結構（XANES）表征，揭示了氨硼烷催化產氫反應中的氫反溢流機制。論文近日在Nature Communications上發表。

團隊利用ALD技術構建了空間分離的NiO/Al2O3/Pt催化劑以及對比催化劑Al2O3/Pt和NiO/Al2O3，可以清楚觀察到壁厚約7nm的中空Al2O3納米管結構。NiO/Al2O3/Pt的高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像和能量色散X射線光譜圖表明，Ni和Pt分別分布在Al2O3納米管的外壁和內表面。NiO/Al2O3、Al2O3/Pt和NiO/Al2O3/Pt催化劑的N2吸附等溫線及其BJH孔徑分布曲線表明，這些催化劑具有相似孔結構。

課題組選擇氨硼烷AB產氫作為模型反應來研究反溢流效應，用原位XANES研究了催化劑中Ni物種在反應中的動態變化行為。對于NiO/Al2O3/Pt，原位XANES光譜在整個反應過程中保持不變，表明添加Pt后Ni2+物種的還原被完全抑制。活性H物種同時在NiO和Pt生成。氫分子在Pt位點上的脫附非常容易，反溢流是能量最低的途徑。以上結果表明，對于NiO/Al2O3/Pt催化劑，NiO位點解離AB生成的H物種不會用于還原NiO，而是通過氧化鋁載體從NiO反溢流到Pt位點，結合成H2并釋放，這就是反溢流過程。它闡明了添加NiO后NiO/Al2O3/Pt的H2生成率提高的機制。對于CoOx/Al2O3/Pt和NiO/TiO2/Pt催化劑，也證實了反溢流效應的存在。

該工作得到了國家自然科學基金、國家杰出青年科學基金、國家重點研發項目、中科院青年創新促進會、北京光源以及上海光源的資助和支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27785-5