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以煤炭、天然气和石油这些化石资源为基础的第一次和第二次能源革命和工业革命，使人类社会步入了全新的发展阶段。一方面，化石资源能够直接燃烧，作为能量的来源，驱动社会的车轮滚滚前行。另一方面，化石资源也是非常重要的化工原料，构成了人类现代社会的物质基础。然而，由于化石资源在地球中储量有限，过度的开发利用又会导致众多环境问题，因而以化石资源为核心的传统能源正逐步退出了科研界，众多的科研工作者将目光投向了以氢能源为核心的新能源领域。氢气作为一种可燃气体，燃烧热值高，燃烧产物只有水，对环境十分友好，最有希望成为未来化石资源的替代，也成为了科学家争相探索的热门领域。 探索能源催化剂 催化剂能够加快化学反应的速度，降低化工生产过程的时间成本；或者改变化学反应的方向，使我们能够在众多可能的产物中有选择的得到某种特定的产物，提高原料的利用效率；或是使化学反应发生的条件，如温度、压力等等，更为温和，减轻反应器和配套设备的负担。 来自北京大学化学与分子工程学院的马丁教授，长期致力于能源资源转化过程中催化剂的开发研究。一方面，对于传统能源资源，马丁老师从我国“富煤贫油”的能源现状出发，瞄准煤炭液化的这一领域，致力于将煤炭转化为油品的相关工作。马丁老师开发出一系列出色的催化剂，将煤炭经过合成气这一桥梁，转化为油品、烯烃和芳烃等产品，实现了油品的清洁制备。另一方面，在氢能源方面，马丁老师结合氢能源汽车中氢燃料电池对氢气的特殊要求，同样开发出了众多出色的催化剂，实现了面向氢燃料电池的高纯度氢气的制备和纯化过程。 氢燃料电池是未来氢能源汽车的核心部件 基于氢能源的 水煤气变换反应 工业规模生产的氢气往往含有少量的一氧化碳。虽然含量少，但是一氧化碳却能够导致氢燃料电池中催化剂的中毒，从而无法完成向电池功能的过程。水煤气变换反应（CO+H2O=CO2+H2）能够将CO进行催化转化进行消除，同时产生更多的氢气，因而成为氢气提纯的重要化学反应。  水煤气变换反应是一个低温有利的反应。反应体系的温度越低，反应发生的程度也就越大。但是低温意味着反应的速度的减慢，因而如果能找到可以在较低温度工作的高效水煤气变换催化剂，就能在获得高催化活性的同时获得热力学的优势。同时，这也是其作为氢气提纯装置与氢燃料电池（工作温度70-90摄氏度）整合和集成的需要。因此，开发在低温区（<150摄氏度）同时具有高催化活性和稳定性的水煤气变换催化剂具有重大意义。 新型双功能催化剂的设计 工业中传统的水煤气变换反应催化剂结构复杂，催化机理不明确，因而这也为提升催化性能带来困难。马丁老师基于新型催化剂的设计，与大连理工大学石川、美国布鲁克海文国家实验室 Jose A. Rodriguez、中国科学院大学周武、山西煤化所/中科合成油温晓东等课题组展开了密切的合作。研究发现，α-MoC(立方相的碳化钼)表面能够使金属Au(金)有效分散，同时具有非常高的低温活化解离水分子的能力，而水分子正是水煤气变换反应的反应物之一。对于另一个反应物一氧化碳分子，则能够顺利的在金属Au上进行吸附和活化。催化剂中α-MoC和Au相互配合，使得水煤气变换反应中的两个反应物分子同时得到活化，使化学反应可以高效发生，有效的解决了这一反应在低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题。 一方面，该研究工作能够通过简单原料将氢气中的一氧化碳组分进行低温、高效的消除，为氢能经济的推广奠定了高纯氢气原料的基础。另一方面，该工作也构建了新的低温产氢体系，是对现有工业水煤气变换反应催化剂的革新，对催化剂结构和功能的清晰认识，也为未来新型催化剂的设计提供了思路。 11月15日未来科学大奖周高峰论坛上，来自北京大学化学与分子工程学院的马丁教授，将围绕新分子制造展开主题演讲《用于低温水汽变换产氢的Au/α-MoC催化剂》，让我们一起走进科学的殿堂，领略它的魅力！ 11月15日 未来科学大奖高峰论坛 研讨会8：新分子制造 Session Chair 林建华 主题演讲2：用于低温水汽变换产氢的Au/α-MoC催化剂  马丁 北京大学化学与分子工程学院教授 北京大学化学与分子工程学院/北京大学工学院教授。针对我国社会能源和资源优化利用过程，主要开展氢能制备与输运，以及高值碳基化学品/油品合成等方面研究工作。获得2013年度北京大学青年教师教学比赛一等奖，2014年度王选青年学者奖，2017年中国催化青年奖，2017年度中国科学十大进展。国家自然科学基金委员优秀青年基金、杰出青年基金获得者。2016年入选英国皇家化学会会士(Fellow of Royal Society of Chemistry)。2014-2017年担任英国皇家化学会Catalysis Science & Technology副主编; 目前担任ACS Catalysis, Chinese Journal of Chemistry副主编， Journal of Energy Chemistry、Science Bulletin、 Joule、Catalysis Science & Technology等刊编委和顾问编委。 摘要：低温水汽变换反应（WGS, CO+H2O=H2+CO2) 可以从水中取氢，是能源化学领域中制氢和氢气纯化过程的重要反应。该过程被广泛应用于制氢，以及加氢过程中去除原料气中大量的CO，是制备高纯氢气的重要过程。同时，随着氢能经济的发展，氢燃料电池成为重要的新能源应用平台。为防止氢燃料中少量一氧化碳（CO）对燃料电池催化剂的毒化，可采用水汽变换反应对氢燃料进行纯化。作为一个低温有利反应，如果能找到可以在较低温度工作的高效水汽变换催化剂，就能在获得高催化活性的同时获得热力学的优势，这也是与低温氢燃料电池（工作温度70-90摄氏度）有效整合的需要。因此，开发在低温区（<150oC）同时具有高催化活性和稳定性的水汽变换催化剂具有重大意义。我们突破以可还原性载体分散贵金属为低温变换催化剂的传统研究思路，利用过渡金属碳化物热稳定性好且与被分散金属有较强相互作用的特点，构建双功能碳化物负载金催化剂Au/α-MoC：立方相 α-MoC低温活化解离H2O，被分散的金促进低温CO吸附活化，在界面处完成重整反应并生成H2。该催化剂可将水汽变化反应温度大幅降低至120 oC。在空速高达 180,000h-1的反应条件下，反应活性达到1.05 molCO/(molAu*s)，较文献报道提升了一个数量级以上，而CO转化率超过95%，有效解决水汽变换反应低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题。 欢迎参加2019未来科学大奖周 与我们一起见证荣耀时刻！ 了解未来科学大奖周更多解读及嘉宾信息 请持续关注未来论坛 FUTURE 与未来相遇 与科学相拥 2019.11.13-17 中国北京 未来科学大奖周 我们不见不散！ |
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