北京大學(xué)分析測(cè)試中心X-射線光電子能譜儀搭配空氣敏感樣品轉(zhuǎn)移器和催化反應(yīng)室用于催化材料的準(zhǔn)原位研究(圖1)。隨著催化科學(xué)的發(fā)展，對(duì)于催化反應(yīng)中催化劑經(jīng)過(guò)特殊氣氛、溫度和壓力處理之后材料表面變化情況的XPS表征需求日益增加，但樣品在轉(zhuǎn)移和制備樣品的過(guò)程中，往往會(huì)因暴露在大氣環(huán)境下導(dǎo)致其表面化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化而影響測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。準(zhǔn)原位XPS表征方法解決了這一問(wèn)題，為揭示催化反應(yīng)過(guò)程中的真實(shí)構(gòu)效關(guān)系提供了有力的支撐。
圖1:北京大學(xué)分析測(cè)試中心X射線光電子能譜儀
馬丁老師現(xiàn)任北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，曾獲得中國(guó)催化青年獎(jiǎng)(2017)，中國(guó)化學(xué)會(huì)-巴斯夫青年知識(shí)創(chuàng)新獎(jiǎng)(2019)，騰訊科學(xué)探索獎(jiǎng)(2019)。2016年入選英國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)士，2017年獲國(guó)家杰出青年基金，2018年當(dāng)選教育部長(zhǎng)江學(xué)者和中組部萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才，2021年擔(dān)任科技研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目科學(xué)家，2022年入選中國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)士，同年當(dāng)選首屆新基石研究員。先后擔(dān)任Catal.Sci.Technol.，Sci.Bull.,Chin.J.Chem.，ACSCatal.，NationalScienceOpen副主編，擔(dān)任ACSCent.Sci.，J.Catal.，Joule等期刊編委。其團(tuán)隊(duì)在多相催化領(lǐng)域長(zhǎng)期從事能源催化方面相關(guān)研究，聚焦碳?xì)滟Y源轉(zhuǎn)化新路徑。團(tuán)隊(duì)主要研究成果包括:實(shí)現(xiàn)水分子中O-H鍵在催化劑界面的低溫解離，開(kāi)發(fā)了技術(shù)指標(biāo)國(guó)際的低溫水中取氫、制氫催化新體系;揭示鐵基費(fèi)托合成催化劑活性相，發(fā)展了合成氣轉(zhuǎn)化路徑;突破傳統(tǒng)途徑，以廢棄含碳物質(zhì)廢塑料、二氧化碳)為碳資源構(gòu)建“碳-氫循環(huán)催化新體系。
研究團(tuán)隊(duì)網(wǎng)站
https://www.chem.pku.edu.cn/mading/index.htm
發(fā)展綠色、低碳的氫能源儲(chǔ)存和利用方法在實(shí)現(xiàn)國(guó)家雙碳”目標(biāo)的時(shí)代背景下起到的推動(dòng)作用。水作為常見(jiàn)和清潔的氫載體，其活化是實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)利用過(guò)程的核心，然而水分子熱力學(xué)穩(wěn)定性高，低溫活化制氫過(guò)程仍面臨巨大挑戰(zhàn)。為此，馬丁團(tuán)隊(duì)發(fā)展了碳化基催化劑，實(shí)現(xiàn)了水分子低溫解離有效制氫過(guò)程。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了液體有機(jī)儲(chǔ)氫分子加脫氫體系，相關(guān)研究對(duì)未來(lái)氫能的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。本期島津XPS用戶成果分享主要介紹北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊(duì)近幾年在有效催化制氫過(guò)程取得的系列進(jìn)展以及XPS測(cè)試技術(shù)在其中的應(yīng)用。
CO協(xié)同下的水活化新模式用于水中有效取氫
a-MoC負(fù)載催化劑在有效催化水煤氣變換產(chǎn)氫方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但是在a-MoC表面吸附解離的水分子如果不能及時(shí)轉(zhuǎn)化，在長(zhǎng)效催化過(guò)程中存在被深度氧化從而導(dǎo)致催化劑失活的問(wèn)題。此外，根據(jù)美國(guó)能源部于2004年發(fā)布的車(chē)載燃料電池發(fā)展規(guī)劃，水煤氣變換產(chǎn)氫催化劑的使用成本只有低于S1/kw并且催化劑重量低于011kg/kw才有望被推廣使用。如何進(jìn)一步提高催化劑的反應(yīng)活性及長(zhǎng)效穩(wěn)定性是迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。為此，馬丁教授團(tuán)隊(duì)研制了高密度、高分散的原子級(jí)Pt物種和a-MoC組成的界面催化結(jié)構(gòu)，在近室溫至400°C的超寬溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)有效水煤氣變換(水和CO活化)制氫，突破了現(xiàn)有催化劑工作溫度區(qū)間較高且窄的局限。結(jié)合近常壓光電子能譜(NAP-XPS)技術(shù)以及同位素示蹤瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析(TKA)等實(shí)驗(yàn)手段，該研究團(tuán)隊(duì)直接觀察到水分子在a-MoC表面解離的路徑，發(fā)現(xiàn)了基于CO直接解離步驟的低溫協(xié)同制氫新路徑。同時(shí)，對(duì)催化劑反應(yīng)前后的準(zhǔn)原位XPS結(jié)果表明(圖2)，高覆蓋度Pt物種的存在增強(qiáng)了在a-MoC表面解離的水產(chǎn)生的活潑氧物種的快速反應(yīng)和脫附，有效地防止a-MoC被深度氧化和催化劑失活，大幅度提升了催化劑的反應(yīng)活性及長(zhǎng)效穩(wěn)定性。以貴金屬鉑的價(jià)格為S6,242進(jìn)行經(jīng)濟(jì)衡載燃料電池發(fā)展規(guī)劃所推算的催化活性限值。該研究工作為氫能經(jīng)濟(jì)的推廣提供了新的技術(shù)選擇，也為研究者設(shè)計(jì)高活性、高穩(wěn)定性的金屬催化劑提供了一種新的思路。
圖2準(zhǔn)原位XPS測(cè)試a-MoC負(fù)載Pt催化劑在反應(yīng)前后的變化
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