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            山西煤化所在反溢流對催化產氫反應的促進作用研究中取得進展
            責編:李曉燕 發布時間:2022-03-03 13:18:43 瀏覽次數:

               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?;趦洳牧系母咝Т呋a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。
             
               中國科學院山西煤炭化學研究所研究員高哲、覃勇團隊基于前期對氫溢流協同效應的認識(Nature Communications, 2019, 10, 4166; Nature Communications, 2020, 11, 4773; ACS Catal., 2021, 11, 3159),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。相關成果以Enhanced hydrogen generation by reverse spillover effects over bicomponent catalysts為題發表在Nature Communications上。
             
               研究團隊利用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(圖1a-c),可以清楚觀察到壁厚約7 nm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(HAADF-STEM)圖像和能量色散X射線光譜(EDX)圖(圖1d和e)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。
             
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            圖1 (a)NiO/Al2O3/Pt、(b)Al2O3/Pt和(c) NiO/Al2O3的TEM圖;NiO/Al2O3/Pt的(d) HAADF-STEM圖和(e) EDX元素分布圖
             
               該研究選擇氨硼烷AB產氫作為模型反應來研究反溢流效應(圖2)。對于NiO/Al2O3催化劑,其產氫曲線表現出約20分鐘的誘導期,之后曲線開始逐漸上升(圖2b)。NiO/Al2O3/Pt催化劑完成反應所需的時間小于Al2O3/Pt,表明NiO的加入可以大大提高Al2O3/Pt催化劑的活性。研究人員對催化劑進行了動力學研究,記錄不同溫度(20-35℃)下反應曲線,根據ln k與1/T的Arrhenius曲線(圖2c),計算出Al2O3/Pt和NiO/Al2O3/Pt的活化能(Ea)分別為49.1 kJ mol–1和32.8 kJ mol–1。對反應10分鐘后的催化劑進行Raman表征,結果表明,在H2O存在下,NiO和Pt可以很容易地解離AB中的B-N和B-H鍵。
             
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            圖2 催化劑的(a, b)產氫曲線、(c) Arrhenius曲線,以及(d) Raman圖譜
             
               研究人員用原位XANES研究了催化劑中Ni物種在反應中的動態變化行為,發現NiO/Al2O3的白線峰強度隨反應時間而降低(圖3a),表明Ni2+物種逐漸減少。通過線性擬合,得出反應10、20、30、40、50和60分鐘后NiO/Al2O3的還原度分別為3.6±0.3%、7.1±0.4%、10.0±0.2%、11.8±0.3%、13.6±0.3%和14.2±0.2%(圖3b)。使用DFT方法計算了水存在的環境中NiO上H2和H2O的形成和脫附自由能(圖3e)。在室溫(298.15 K)下生成H2所需的自由能壘(Ga)為154.7 kJ mol-1,而生成H2O所需的自由能壘為18.6 kJ mol-1,表明H物種傾向于還原NiO生成H2O。以上結果表明,在NiO/Al2O3的產氫曲線的誘導期內,NiO解離AB產生的活性H物種未從NiO表面釋放,而是被用于將NiO還原為金屬Ni0。產生金屬Ni0后,生成的H物種可從金屬表面釋放(圖3f)。
             
               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(圖3c和d)?;钚訦物種同時在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(圖3f),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。
             
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            圖3 (a) NiO/Al2O3和 (c)NiO/Al2O3/Pt的原位XANES圖譜及其線性擬合結果(b, d);(e) DFT計算結果示意圖;(f) NiO/Al2O3和NiO/Al2O3/Pt在產氫反應中的催化機制示意圖
             
               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。

                                                                                                                                                                (來源:山西煤炭化學研究所)
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