高效去除氢气中微量CO研究

　　氢能是未来最理想的一种清洁能源。氢燃料电池汽车以氢气为燃料，能量转化效率高，清洁零排放，是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。然而氢燃料电池汽车的推广目前仍然困难重重，其中一个关键难题是氢燃料电池电极的CO中毒问题。现阶段，氢气主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的水蒸汽重整、水煤气变换反应等，通常含有0.5％~2％的微量CO。作为氢燃料电池汽车的“心脏”，燃料电池电极极易被CO杂质气体毒化，从而致使电池性能降低和寿命缩短，严重限制了该类汽车的推广。富氢氛围CO优先氧化（PROX）是车载去除氢气中微量CO的最理想方式。然而现有PROX催化剂工作温度相对较高（室温以上）且区间窄，无法在寒冷条件下为氢燃料电池频繁冷启动过程中提供有效保护。 

　　针对该技术难题，中国科学技术大学路军岭教授、韦世强教授、杨金龙教授等课题组密切合作，研究人员利用原子层沉积技术，首次在SiO₂担载的Pt金属纳米颗粒表面上精准构筑出单位点Fe₁(OH)_x物种，进而形成了一种新型的Fe₁(OH)_x-Pt单位点界面催化剂结构。在富氢氛围一氧化碳氧化反应中，他们利用该催化剂首次在-75°C至110°C的超宽温度区间，成功实现了100%选择性地一氧化碳完全去除，突破了现有的一氧化碳氧化反应中，催化剂工作温度高和温区窄的两大瓶颈限制，为解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机，延长电池寿命，拓宽电池使用温度环境以及其民用推广等方面扫清了重大障碍。研究成果以“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H₂”为题，于2019年1月31日在线发表在国际权威期刊《Nature》上（Nature, 565, 631-635, 2019）。 

　　该工作中，研究人员利用在北京同步辐射装置1W1B-XAFS实验站搭建的原位X-射线谱学平台，发现Fe₁(OH)_x物种在催化反应气氛中的结构是Fe₁(OH)₃，Fe₁原子与Pt纳米颗粒表面Pt原子形成Fe₁-Pt的金属键，并且惊奇地发现该物种具有超高还原特性，在室温就实现氢气还原生成Pt-Fe₁(OH)₂，确定了在Pt颗粒表面上形成的Pt-Fe₁(OH)₃单位点界面是其催化活性中心，揭示了其催化反应机理。 

　　金属—氧化物界面在众多催化反应中起着至关重要的作用。该工作为人们设计高活性金属催化剂提供了一新思路。