近日，我所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室05T6組鄧德會(huì)研究員團(tuán)隊(duì)首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種高能量效率制備高純氫氣(>99.99%)的新策略：室溫電化學(xué)水汽變換(EWGS)反應(yīng)。相關(guān)結(jié)果以全文形式發(fā)表在《自然-通訊》(Nat. Commun.)上。

氫能源被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。目前，水汽變換(WGS)反應(yīng)(CO + H2O → H2 + CO2)是工業(yè)上大規(guī)模制備氫氣的主要方法。但WGS過(guò)程通常需要在高溫(180°C-250°C)和高壓(1.0-6.0MPa)的條件下進(jìn)行。除了苛刻的反應(yīng)條件，通過(guò)WGS反應(yīng)制得的氫氣往往含有約1%-10%的CO殘留及反應(yīng)產(chǎn)物CO2和CH4等，需要進(jìn)一步的分離純化才能進(jìn)行下游的應(yīng)用。因此，發(fā)展更經(jīng)濟(jì)的、環(huán)境友好的方法，在溫和條件下直接制備高純氫氣是氫能源發(fā)展的迫切需求，但也極具挑戰(zhàn)。

鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)原理，巧妙地將WGS的氧化還原反應(yīng)拆分為彼此分離的兩個(gè)半反應(yīng)，首次提出了一種能在常溫常壓下直接制備高純氫氣的電化學(xué)水汽變換概念。EWGS反應(yīng)中，CO在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的CO2與電解質(zhì)KOH進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸鉀，避免了CO2的排放;同時(shí)水在陰極直接被還原生成高純氫氣。陰陽(yáng)兩極由陰離子交換膜分隔開(kāi)，保持溶液離子平衡的同時(shí)分隔兩極產(chǎn)物，因此從原理上避免了傳統(tǒng)WGS中氫氣需要分離提純的過(guò)程。通過(guò)對(duì)催化劑的設(shè)計(jì)和電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，該反應(yīng)在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)99.99%高純氫的制備并且達(dá)到接近100%的產(chǎn)氫法拉第效率。優(yōu)化后的PtCu催化劑在EWGS反應(yīng)中的陽(yáng)極起始電位降低至接近0V，顯著低于電解水的陽(yáng)極理論電位1.23V;在0.6V時(shí)LSV電流密度達(dá)到70mA/cm2，比商品的Pt/C催化劑的活性提升了12倍以上;該催化劑經(jīng)過(guò)475小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試后仍能夠保持高的活性。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)與我所蘇海燕研究員等合作，通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Cu的引入減弱了CO在Pt上的吸附，有效避免了催化劑的中毒，從而實(shí)現(xiàn)了該催化劑在EWGS中的高活性和高穩(wěn)定性。相比于傳統(tǒng)的WGS，EWGS是一種完全不同的、可以在室溫常壓下進(jìn)行的高效催化過(guò)程，這為低能耗生產(chǎn)高純氫氣提供了新思路。

以上研究得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項(xiàng)目、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(2011·iChEM)和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。