低温高活性和稳定性催化剂：水煤气变换反应的催化机制

　　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，可采用水煤气变换反应（CO+H2O=CO2+H2）对氢燃料进行纯化。因此，开发在低温区工作,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。 

　　北京大学化学与分子工程学院马丁课题组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合作，突破传统的研究思路,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，构建了碳化钼负载金催化剂Au/α-MoC：立方相碳化钼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。该催化剂可将水煤气变化反应温度大幅降低至120度。在空速高达180,000h^-1的反应条件下，反应活性达到1.05molCO/（molAu*s），而CO转化率超过95%，有效解决了水煤气变换反应在低温条件下,高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题。 

　　图1 X射线吸收谱实验分析和理论模拟计算 

　　为了进一步认识与拓展这一新型的低温产氢催化剂体系,马丁教授及其合作者借助北京同步辐射装置和上海光源X-射线吸收谱学实验站, 通过X-射线吸收谱分析发现: Au负载于α-MoC上, Au-Au和Au-Mo键长更短、配位数更低，这是由Au与α-MoC的强相互作用决定的。进一步, 他们结合单原子分辨率的球差校正电镜和理论模拟计算,揭示在Au与载体碳化钼之间有强相互作用，Au团簇以原子层状的形式高度分散在载体碳化钼表面, 组成独特的二维纳米结构，低温下,水在α-MoC上活化，而在相邻Au位上吸附的CO易于与水分解形成的表面羟基反应，导致低温下的高催化活性。该研究工作对于研发新一代低温水煤气变换催化剂具有重要的科学意义和实用价值,也为氢能经济的推广以及氢气纯化过程提供了新的思路。该研究成果以“Atomic-layered Au clusters on α-MoC as catalysts for the low temperature water-gas-shift reaction”为题发表于2017年6月22日的Science上（Science, 2017, 357 (6349) :389）。 

　　发表文章： 

　　Siyu Yao,* Xiao Zhang,* Wu Zhou,* Rui Gao, Wenqian Xu, Yifan Ye, Lili Lin, Xiaodong Wen, Ping Liu, Bingbing Chen, Ethan Crumlin, Jinghua Guo, hijun Zuo, Weizhen Li, Jinglin Xie, Li Lu, hristopher J. Kiely, Lin Gu, huan Shi, José A. Rodriguez, Ding Ma. Atomic-layered Au clusters on α-MoC as catalysts for the low temperature water-gas-shift reaction. Science, 2017, 357 (6349) :389.