華東理工大學教授朱明輝團隊聯合美國里海大學教授Israel E. Wachs團隊，開發了同位素調制激發結合相敏檢測的漫反射紅外傅立葉變換光譜技術（ME-PSD-DRIFTS），由此實現了實時解析甲醇水蒸氣重整（MSR）反應網絡，并明確了銅（Cu）-氧化鋅（ZnO）界面的雙功能催化機制，為理性設計高性能制氫催化劑提供了理論基礎。相關研究近日發表于《美國化學會志》。
氫能是一種清潔高效的能源載體，在構建未來可持續能源體系中具有重要戰略地位。其中，MSR具有反應條件溫和、氫氣產率高等優勢，是最具應用前景的制氫技術之一，Cu基催化劑在該反應中展現出獨特優勢。然而，目前對MSR反應中的活性位點、反應機制等的研究尚不足，制約了高性能催化劑的設計。
研究團隊采用自主研發并優化的低死體積原位漫反射池系統，結合相敏檢測技術，通過周期性切換同位素原料的調制激發方式，成功構建了“動態信號提取”的研究范式，能夠有效區分活性中間體與旁觀物種。
實驗結果表明，Cu-ZnO界面協同作用在催化過程中起著決定性作用。具體而言，甲醇在Cu位點上優先吸附解離形成甲氧基，ZnO則主要負責水分子的吸附。隨后，甲氧基與表面羥基的相互作用，形成關鍵中間體甲酸鹽，其中C-H鍵中的氫原子來源于甲醇分子。此外，甲氧基脫氫步驟是該反應的速率控制步驟，甲酸鹽直接分解為二氧化碳和氫氣的路徑主導整個反應過程。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c07628