负载型纳米Pt基催化剂低温协同催化甲醇重整制氢

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氢气(H2)具有环境友好和高能量密度的特点,被公认为最有希望的替代能源之一。随着分布式氢燃料电池的发展,对甲醇(CH3OH)的水相重整制氢效率要求逐渐提高。由于CH3OH理论氢含量高达18.8,价格低廉并且其水溶液可以催化重整制氢,因此成为大规模生产H2的研究热点。然而,由于CH3OH的热力学稳定性,将其转化为H2需要较高的温度(200-350℃)和较高的压力(2.5-5.0 MPa),因此达到实际应用的要求还有一定难度。为了实现低温和常压下催化甲醇重整制氢,通过将Pt金属纳米粒子负载在合适的载体上,增加Pt的分散度,并通过调节其电子结构以加速Pt基催化剂活化甲醇脱氢效率。高度分散的Pt颗粒与金属氧化物载体本身的结合使得负载型Pt催化剂能够表现出比单独的Pt金属纳米粒子更加高效的甲醇分解能力。进一步地,还可以通过表面工程对催化剂进行双金属处理,以获得带有核壳结构的合金体系。由于相邻金属之间的独特相互作用,合金的形成可以在改变金属的电子密度(配体效应)的同时,减少多重吸附位点的数量(整体效应)。这些变化能够影响底物在催化剂表面的吸附性能,从而让双金属催化剂显现出独特的催化活性和选择性。然而尽管合金化可以改变催化性能,在脱氢过程中催化活性物质将甲醇转化为氢气的催化路径仍未被阐明。基于此,本论文的研究内容如下所示:(1)本课题通过简单的热处理方法制备了纳米合金PtSn/A12O3催化剂。Sn掺杂到Pt晶格中使晶格膨胀,电子从Sn转移到Pt,形成富电子态的Pt0和亚稳态Pt2+物种。负载于高比表面积A12O3纳米片表面的不同价态的富电子Pt是甲醇低温催化重整制氢反应的活性中心,是提高催化性能的关键因素,实现了低温催化甲醇溶液高效产氢的目标。(2)采用浸渍法制备了壳层可控的Pt@Au/MoS2核壳结构催化剂,电子从Au转移到Pt,在催化剂表面形成Ptδ-和Au+的独特电子结构,这种富电子的Ptδ-和缺电子的Au+的包覆结构使得Au与载体MoS2、核层Pt之间产生电子相互作用,从而促进催化性能的整体提升,揭示了表界面电子结构对甲醇重整制氢的关键作用。负载在具有层状结构高比表面积的MoS2载体上,提高了催化性能,并实现了低温常压下对甲醇、甲醛、甲酸等C1生物质衍生物小分子的重整制氢。总之,本论文提出了不同价态富电子Pt负载在高比表面积载体上的Pt基催化剂在甲醇催化重整制氢反应中的作用,为甲醇多相催化重整机理的理解上提供了新的方向。
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