刘志刚课题组：原子分散的金催化剂用于燃料电池原料富氢气中一氧化碳优先氧化的研究

sandongqi

我校化学化工学院刘志刚教授课题组在用于燃料电池原料富氢气中一氧化碳优先氧化的金催化剂研究上取得最新进展，他们以铈锆固溶体为载体，制备了一系列低金负载量的催化剂，最佳负载量为0.02 wt% Au，该催化剂可在质子交换膜燃料电池工作温度范围内几乎完全氧化CO，并且稳定性优良。同时，他们发现金团簇有优良的低温活性，但是高温下易发生H2氧化副反应因而无法完全氧化CO，而高度分散的金单原子会抑制H2的氧化从而达到完全转化CO的目的，另外，相邻金单原子之间的协同作用也会对CO和H2的竞争反应产生影响。相关成果以“Atomically dispersed Au catalysts for preferential oxidation of CO in H2-rich stream”为题发表于《Applied Catalysis B: Environmental》。

       质子交换膜燃料电池(PEMFC)以全氟磺酸膜为电解质，Pt/C为电极催化剂，纯氢气为燃料，具有工作温度低、效率高、体积小易操作、启动快的优点。PEMFC所用的H2来自于碳氢化合物的催化重整和液体燃料的部分氧化，在使用过程中，为了保证燃料电池的性能和寿命，原料氢气必须经过净化处理，因为原料气中的微量CO容易吸附在Pt催化剂上毒害电极，只有当CO浓度低至10-100ppm以下，才能确保电池的正常使用。目前，CO优先氧化法是将CO含量降至电极可耐标准的最有效而经济的方法。

        刘志刚老师课题组采用简单经济的共沉淀法以及沉积沉淀法制备了一系列高效金催化剂，当金负载量大于0.05 wt%时，催化剂表面有金团簇出现，当金负载量小于或等于0.05 wt%时，金物种以单原子形式存在。结合表征结果及催化性能，他们发现，零价金在高温下容易引起H2的氧化，所以当金负载量大于0.05 wt%时，虽然催化剂低温活性良好，但是高温下因为H2的竞争反应而无法完全转化CO；以氧化态形式存在的高度分散的金单原子则会抑制H2的氧化，O2更容易与CO发生反应，因此在合适的温度范围内，混合气中的CO几乎可以被完全转化（图1）。有趣的是，即使金都以单原子形式存在，其催化活性也有不同，这可能是因为增加金的负载量即金单原子的分布密度，会引起相邻两个金单原子之间的协同作用，从而在一定程度上影响了反应能垒和路径。
        理论计算证明了，对于单个金原子而言，CO氧化更容易发生，因为H2在竞争吸附中占不利位置且氧化能垒更高；另一方面，CO氧化反应更倾向于按照L-H机理发生（图2）。
        本工作不仅为低负载贵金属催化剂的合成铺平了道路，而且为判断金物种在催化富氢气中一氧化碳优先氧化中的作用提供了新的视角。
         硕博连读研究生向港华为论文第一作者，刘志刚教授、费慧龙教授以及刘春艳副教授为通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技厅创新项目等资助。


        文章来源：湖南大学
        刘志刚，汉族，男，博士，湖南大学化学化工学院教授，硕士生导师。湖南省化学化工学会催化与绿色化学专业委员会委员、秘书， 中国化学会和湖南省化学化工学会会员，Journal of Chemical Engineering、International Journal of Hydrogen Energy等期刊的审稿人。