近日，我所催化基礎國家重點實驗室05T6組鄧德會研究員團隊首次提出并實現(xiàn)了一種高能量效率制備高純氫氣(>99.99%)的新策略：室溫電化學水汽變換(EWGS)反應。相關結果以全文形式發(fā)表在《自然-通訊》(Nat. Commun.)上。

氫能源被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。目前，水汽變換(WGS)反應(CO + H2O → H2 + CO2)是工業(yè)上大規(guī)模制備氫氣的主要方法。但WGS過程通常需要在高溫(180°C-250°C)和高壓(1.0-6.0MPa)的條件下進行。除了苛刻的反應條件，通過WGS反應制得的氫氣往往含有約1%-10%的CO殘留及反應產(chǎn)物CO2和CH4等，需要進一步的分離純化才能進行下游的應用。因此，發(fā)展更經(jīng)濟的、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)。

鄧德會團隊經(jīng)過長期探索，結合電化學反應原理，巧妙地將WGS的氧化還原反應拆分為彼此分離的兩個半反應，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水汽變換概念。EWGS反應中，CO在陽極發(fā)生氧化反應，生成的CO2與電解質KOH進一步反應生成碳酸鉀，避免了CO2的排放;同時水在陰極直接被還原生成高純氫氣。陰陽兩極由陰離子交換膜分隔開，保持溶液離子平衡的同時分隔兩極產(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程。通過對催化劑的設計和電極結構的優(yōu)化，該反應在常溫常壓條件下實現(xiàn)99.99%高純氫的制備并且達到接近100%的產(chǎn)氫法拉第效率。優(yōu)化后的PtCu催化劑在EWGS反應中的陽極起始電位降低至接近0V，顯著低于電解水的陽極理論電位1.23V;在0.6V時LSV電流密度達到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475小時的穩(wěn)定性測試后仍能夠保持高的活性。在此基礎上，該團隊與我所蘇海燕研究員等合作，通過理論計算發(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行的高效催化過程，這為低能耗生產(chǎn)高純氫氣提供了新思路。

以上研究得到了國家科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目、中科院前沿科學重點研究項目、中國科學院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項目、教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心(2011·iChEM)和博士后創(chuàng)新人才支持計劃的資助。