水氣變換反應(yīng)將一氧化碳和水生成氫氣和二氧化碳，是工業(yè)上大規(guī)模制備高純氫氣的重要過程。近年來的研究表明單原子催化劑在較低溫度下依舊保持優(yōu)異的水氣變換反應(yīng)活性（Science 2017, 357, 389-393；Nature 2021, 589, 396-401），然而室溫條件下的高催化活性仍然難以實現(xiàn)。電化學(xué)水氣變換概念的提出（Nat. Commun. 2019, 10, 86；Nano Energy 2022, 102, 107704），將一氧化碳電氧化同析氫反應(yīng)結(jié)合，實現(xiàn)了室溫反應(yīng)的目標(biāo)，然而較高的貴金屬使用量和堿性電解質(zhì)的使用增加了反應(yīng)成本。
近日，新加坡國立大學(xué)顏寧教授和天津大學(xué)馬新賓教授團隊合作，提出雜多酸單原子催化劑耦合電熱共催化過程。一氧化碳氧化由室溫?zé)峄瘜W(xué)過程實現(xiàn)，H2由質(zhì)子還原產(chǎn)生，實現(xiàn)了低貴金屬使用量的室溫酸性電解質(zhì)下的水氣變換反應(yīng)，獲得高純氫氣。
通過共沉淀方式，研究人員一步法合成了雜多酸單原子催化劑。并發(fā)現(xiàn)硅鉬酸基鈀單原子催化劑（Pd1/CsSMA）具有最宜的室溫一氧化碳氧化以及電子/質(zhì)子儲存能力。同時，研究人員設(shè)計氧化還原介質(zhì)，建立了熱化學(xué)與電化學(xué)的橋梁，并利用電化學(xué)方式完成催化閉環(huán)過程。通過對熱化學(xué)以及電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)氧化還原介質(zhì)的還原度對反應(yīng)調(diào)控具有重要意義。 電熱共催化為實現(xiàn)化學(xué)工藝過程提供了一種新途徑。該工藝具有良好的控制性，溫和的操作性以及簡化的產(chǎn)物分離性等優(yōu)勢。從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，電熱共催化水氣變換過程利用化學(xué)試劑氧化一氧化碳儲存質(zhì)子/電子，因此適合于直接利用具有不穩(wěn)定性不連續(xù)性的可再生電能。 論文信息 Electrothermal Water-Gas Shift Reaction at Room Temperature with a Silicomolybdate-Based Palladium Single-Atom Catalyst Jinquan Chang, Dr. Max J. Hülsey, Sikai Wang, Dr. Maoshuai Li, Prof.?Dr. Xinbin Ma, Prof. Ning Yan Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202218265
實驗確定，鈀原子在反應(yīng)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是反應(yīng)的唯一活性位點。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，該催化體系的轉(zhuǎn)換頻率（TOF）高達(dá)1.2 s-1，轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）超過40000 molCO2/molPd，并具有12小時以上的連續(xù)運行穩(wěn)定性，可以產(chǎn)生純度超過99.99%的氫氣。
