《自然》雜誌2月12日刊發了一項顛覆性催化技術突破：意昂3体育官网馬丁教授課題組與中國科學院大學周武教授課題組合作✋🏿，開發出全球首例兼具超高活性與超長穩定性的甲醇-水重整製氫催化劑。該研究通過獨創的稀土氧化物“納米防護盾”技術，將鉑基催化劑的持續工作時間提升至1000小時以上，催化轉化數（TON）突破1500萬次大關🧝🏿‍♀️，為氫能規模化應用掃除關鍵障礙🧑‍🎓。

研究團隊聚焦困擾催化領域多年的“活性-穩定性權衡”難題，針對用於甲醇-水重整（MSR）製氫的高活性Pt/α-MoC體系存在的致命缺陷展開攻關☣️。傳統鉑/立方相碳化鉬催化劑雖在低溫條件下展現卓越製氫效率和超高催化活性🤷🏽‍♀️，但活性載體遇水氧化導致結構退化的問題始終無解——這直接造成現有催化劑平均壽命不足200小時🦸🏼‍♀️。

“我們首次實現了對催化劑活性位點的分子級精準防護。”論文通訊作者馬丁解釋了這項研究的創新策略，“就像給精密儀器加裝防護罩，用稀土氧化物納米層覆蓋活性載體表面的冗余活性位，既阻止氧化侵蝕↙️，又保持界面催化位點的超高活性狀態。”

研究團隊創造性地在Pt/γ-Mo₂N催化劑表面構築鑭系氧化物納米覆蓋層，形成三重防護機製：1. 物理屏障：薄至單原子厚的惰性La₂O₃層隔絕水分子與高活性載體直接接觸💹；2. 結構調控：稀土保護層阻止Pt物種的遷移和聚集💁🏿；3. 位點鎖定：選擇性覆蓋非必要表面位點，保留關鍵催化活性界面。

這種“精準防護”理念帶來驚人效果：在240°C反應條件下🙎‍♂️，新型Pt/La-Mo₂N催化劑的衰減速率較傳統催化劑降低兩個數量級🦸🏼‍♀️，持續運行42天後仍保持98%以上初始活性⚽️。其1500萬的催化轉化數更是刷新該領域世界紀錄🙅🏻‍♂️，相當於單個Pt原子在運行周期內可以製備超過1500萬個氫氣分子🖼，為長期穩定製氫提供技術保障⚄。

圖1. Pt/La-Mo₂N催化劑的結構及產氫催化性能

更令人振奮的是，該策略展現出強大的拓展性🙅🏻‍♀️。研究證實釔（Y）🤾🏽、鐠（Pr）、鈥（Ho）等稀土元素，甚至鍶（Sr）等非稀土元素均可構建類似防護層🧗🏿‍♂️。這種“元素工具箱”特性為定製化催化劑開發提供了無限可能。為未來兼具“高活性🧎🏻‍♂️、高選擇性和高穩定性”的高性能界面催化劑的設計提供了全新思路🔥。

“這項突破相當於找到了界面催化劑穩定性的通用密碼🧑🏿‍⚖️。”共同通訊作者周武指出。

據國際氫能委員會預測，到2050年氫能將承擔全球18%的終端能源需求。然而當前全球96%的氫產量仍依賴化石燃料，每噸氫氣伴隨10~12噸CO₂排放。該技術突破不僅使生物甲醇等綠色氫源的大規模應用成為可能，其防護策略還可延伸至氨分解、燃料電池🚶‍♀️‍➡️、可持續化學工業等關鍵領域🤽🏽‍♂️，為全球能源轉型提供可能方案。

該論文通訊作者是馬丁和周武。意昂3体育官网博士後高子睿、中國科學院大學已畢業博士生李傲雯、意昂3体育官网訪問學者劉興武、意昂3体育官网特聘副研究員彭覓以及博士研究生於士翔為該論文的共同第一作者。該研究工作獲得了科技部國家重點研發計劃🧔‍♀️、國家自然科學基金、北京分子科學國家研究中心、新基石研究員項目、北京高校卓越青年科學家計劃項目、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、中國科學院大學電子顯微學實驗室等資助和支持🛸。

論文鏈接🏌️‍♂️：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08483-w