當前乃至30-50年內經濟和社會的發(fā)展仍以碳基為主的能源消費結構為基礎，而該能源結構導致的環(huán)境污染和生態(tài)文明建設之間的矛盾愈發(fā)凸顯，實現(xiàn)含碳資源高效清潔轉化利用是當前解決這些矛盾的重要途徑之一。而未來，人類將以面向低碳與無碳能源經濟為基礎的可持續(xù)能源結構，特別是以氫能為主的能源體系新結構。其中氫燃料電池是最具潛力的新一代能量提供系統(tǒng)，但是氫氣化學性質活波，氫氣的存儲和輸運一直以來是阻礙氫能源大規(guī)模應用的瓶頸。目前，雖然豐田實現(xiàn)了氫燃料電池汽車的示范，而氫氣儲存在約120 L、壓力高達700公斤的鋼瓶，其安全性不容樂觀，并且城市內加氫基礎設施建設亦存在一定隱患。此外，目前其他的氫氣儲放體系，或價格昂貴，或存儲容量有限。針對這些不足，將氫氣存儲在甲醇中成為了科研人員所感興趣的解決途徑，甲醇能夠和水進行液相重整并原位釋放高質量密度（18.8wt%）的氫氣。但傳統(tǒng)的甲醇蒸汽重整操作需要在相對較高的溫度（200~350 oC）下進行，為實現(xiàn)高效并在溫和條件下制氫，突破氫氣的存儲和輸運瓶頸，亟待開發(fā)新型甲醇水重整高效催化體系。
    最近，山西煤化所煤轉化國家重點實驗室溫曉東（中組部青年千人，中科院百人）課題組與北京大學化學與分子工程學院馬丁、中國科學院大學周武、以及大連理工大學石川等課題組合作，針對甲醇和水液相制氫反應的特點，從實驗設計出發(fā)，結合理論計算開發(fā)出新型原子級分散的鉑-碳化鉬雙功能催化劑，實現(xiàn)了在低溫下（150~190 oC）高效的產氫效率。研究發(fā)現(xiàn)金屬鉑（Pt）與碳化鉬（MoC）基底之間存在著非常強的相互作用，使得Pt以原子級分散在MoC納米顆粒表面，構筑出高密度的原子尺度催化活性中心。單分散Pt主要負責甲醇的解離過程，而MoC主要負責水的解離過程，重要的是這兩個催化過程的反應速率相近，進而形成了高效的雙功能催化體系。
    原子級高度分散的Pt中心和碳化鉬基底之間的協(xié)同作用能夠在兩者界面實現(xiàn)對反應中間體的高效活化和協(xié)同轉化，從而使得整個催化劑在甲醇和水液相反應中表現(xiàn)出超高的產氫活性，在150 oC就能以2,276 molH2/(molPt*h)的反應速率釋放氫氣，進一步提高溫度至190 oC，放氫速率可達18,046 molH2/(molPt*h)，較傳統(tǒng)鉑基催化劑活性提升了近兩個數(shù)量級。同時，原子級分散的特點能最大限度地提高貴金屬鉑的利用率，以產氫活性估計，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產氫速率達到1 kgH2/h，基本滿足商用車載燃料電池組的需求。以目前甲醇市場價格（2400元/噸）計算，采用此技術路徑儲放氫氣，氫燃料電池汽車每百公里燃料價格僅需約13元，而加60~80升甲醇可供家用小轎車行駛600~1000公里。該研究工作為含碳資源高效清潔轉化利用提供了新的方向，實現(xiàn)了從含碳資源到無碳能源的高效溫和轉化，為氫能制備、存儲及安全利用提供了新的思路，并有望作為下一代高效儲放氫新體系得到應用。該研究成果以“Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts”為題發(fā)表于2017年3月23日的Nature上（doi:10.1038/nature21672）。
    美國化學會C&E News雜志以“氫能源：制備氫燃料新過程”(New process for generating hydrogen fuel http://cen.acs.org/articles/95/i13/New-process-generating-hydrogen-fuel.html )為題對該工作進行了亮點報道。特拉華大學能源中心主任Dion Vlachos教授評論這個新過程“在反應性能上處在技術前沿”；而德國萊布尼茲催化所所長Matthias Beller教授認為這個催化體系是一個重大突破。此類催化劑還有望在其他水相重整制氫過程，如生活廢水、乙醇等原料的催化產氫中發(fā)揮優(yōu)勢作用。
    該文第一作者是北京大學林麗利、中科院大學周武研究員和中科院山西煤化所煤轉化國家重點實驗室/中科合成油高瑞博士。該研究得到中組部國家青年千人計劃、國家自然科學基金（重大研究計劃-碳基能源轉化利用的催化科學）、中科院百人計劃、山西省百人計劃等項目資助。