氢能被普遍以为是将来寰球动力系统的主要支柱，高效、稳固、低本钱的氢能出产已成为动力科技开展的要害挑衅。克日，中国迷信院年夜学周武教学团队与北京年夜学马丁教学团队配合，在《Nature》杂志宣布题为“Shielding Pt/γ-Mo2N by Inert Nano-overlays Enables Stable H2 Production”的研讨结果，报道了一种全新的高活性产氢催化剂稳固战略。研讨团队经由过程计划、修建稀土氧化物纳米笼罩层，胜利维护了Pt/γ-Mo2N催化剂的高活性界面催化位点，明显晋升了催化剂在甲醇-水重整（MSR）制氢反映中的稳固性，使其催化寿命冲破1000小时，并发明了超越1500万的催化转化数（TON），远超现有甲醇-水重整催化剂。这一冲破不只极年夜晋升了该范例催化剂的产业利用远景，也为氢能技巧的可连续开展供给了主要支持。催化技巧在古代化学产业中盘踞中心位置，寰球超越80%的产业化学品出产依附催化进程。作为催化反映的中心，催化剂的活性跟抉择性决议了反映速度跟目的产品的收率，是权衡新型催化剂机能的主要指标。但是，在现实产业利用中，仅具有高活性跟高抉择性远远不敷——催化剂的稳固性直接影响出产的连续性跟经济性，是决议其是否真正实现年夜范围利用的中心要素。在催化研讨中，“高活性与高稳固性难以兼得”始终是迷信家面对的中心挑衅之一。很多高活性催化剂固然能年夜幅晋升催化反映效力，然而在反映进程中轻易产生构造退化、活性核心散失，终极减速生效。在甲醇-水重整（MSR）产氢这一要害反映系统中，上述成绩尤为凸起。该团队此前研讨发明，贵金属铂、金等跟碳化钼（α-MoC）等活性载体构建的界面催化系统，在较低的温度下可能高效制氢，展示出超高活性跟抉择性（ Nature 2017, 544, 80-83； Science 2017, 357, 389-393； Nature 2021, 589, 396-401）。但是，因为这类活性载体在水情况中极易被氧化，催化核心的构造稳固性遭到重大制约，终极招致催化剂疾速生效，成为限度其产业化利用的重要瓶颈。怎样在坚持高活性的同时明显晋升催化剂的稳固性，成为该范畴最具挑衅性的中心困难之一。为破解催化剂稳固性瓶颈，该研讨团队提出了一种全新的催化剂稳固战略：在Pt/γ-Mo2N催化剂名义修建惰性稀土氧化物（比方La2O3）纳米笼罩层，构成纳米标准“维护盾”，笼罩活性载体名义的冗余位点，从而实现对界面催化构造的精准维护。原子标准扫描透射电子显微镜（STEM）成像跟电子能量丧失谱（EELS）剖析标明，La物种在γ-Mo2N名义以原子级疏散，浮现化学惰性的+3价，笼罩局部载体名义，并将其停止纳米标准宰割。电镜表征还证实，惰性稀土氧化物（La2O3）纳米笼罩层的加载并未转变载体名义Pt物种的疏散水平跟构造，催化剂中Pt物种仍重要以伶仃单原子跟大批亚纳米团簇的情势疏散在Mo2N名义，形成大批高活性的界面催化位点。原子标准的电镜剖析从构造角度验证了这一全新的催化剂稳固战略在年夜幅度晋升催化剂稳固性的同时不影响其催化活性。这一翻新战略的中心上风在于：无效笼罩γ-Mo2N名义的冗余活性位点，禁止其在水情况中产生深度氧化；不侵害催化剂的原有高活性跟抉择性，确保甲醇-水重整反映高效停止；进步催化剂的抗掉活才能，明显延伸应用寿命，为临时稳固制氢供给技巧保证。试验数据表现，在甲醇重整制氢反映中，该新型Pt/La-Mo2N催化剂展示出超越1000小时的稳固性而未有显明掉活。更令人赞叹的是，该催化剂依然坚持超高活性跟抉择性，实现了超越1500万的超高催化转化数（TON），发明了甲醇-水制氢催化反映的最高记录。研讨团队进一步发明，该战略存在精良的普适性，不只实用于镧（La），还可拓展至其余稀土元素（如Y、Pr、Ho），乃至实用于局部惰性非稀土元素（如Ca、Sr），展示出普遍的实用性，为将来兼具“高活性、高抉择性跟高稳固性”的高机能高催化剂的计划供给了全新思绪。这项研讨冲破了催化迷信中的稳固性瓶颈，初次在不下降活性的条件下，实现了高稳固性的界面催化剂计划，为贵金属催化剂的低本钱、高稳固性利用供给了可行计划，估计将来将在绿色动力、氢燃料电池、可连续化学产业等范畴施展主要感化，减速迈向零碳排放的将来。在本研讨中，基于单原子辨别的低电压球差校订STEM成像跟EELS化学成像剖析，对一系列加载差别惰性氧化物纳米笼罩层的Pt/Mo2N催化剂停止了体系剖析，提醒了La纳米笼罩层在晋升催化剂稳固性方面的感化机制。此中，单原子精度的STEM-EELS剖析不只剖析了原子级疏散La物种在催化剂名义的空间散布，还供给了其化学价态的信息，为懂得La纳米笼罩层在Pt/γ-Mo2N界面维护中的构造基本供给了主要支撑。该功效性化学成像技巧可在单原子标准上探索负载型催化剂名义物种的疏散状况及其电子构造，曾经成为推进催化剂计划与优化的主要研讨手腕。该论文通信作者为中国迷信院年夜学周武教学跟北京年夜学马丁教学。北京年夜学博士后高子睿、中国迷信院年夜学已结业博士生李傲雯、北京年夜学拜访学者刘兴武、北京年夜学特聘副研讨员彭觅、博士研讨生于士翔为该论文的独特第一作者。该研讨任务取得了科技部国度重点研发打算、国度天然迷信基金、北京高校出色青年迷信家打算名目、中国迷信院稳固支撑基本研讨范畴青年团队名目、新基石研讨员名目、中国迷信院年夜学电子显微学试验室等赞助跟支撑。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08483-w周武教学课题组主页：https://zhouwu.ucas.ac.cn/图1. Pt/γ-Mo2N跟Pt/La-Mo2N催化剂的构造表征。图2. Pt/La-Mo2N催化剂与典范贵金属甲醇重整催化剂的产氢催化机能对照。