為了完全弄清楚其中的奧秘,包信和小組借用由新近落成的上海光源裝置產(chǎn)生的高強度X射線光,在X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜線站(BL14W1)對真實催化反應(yīng)過程中催化劑表面結(jié)構(gòu)進行原位、動態(tài)表征,發(fā)現(xiàn)當催化過程達到穩(wěn)態(tài)時,催化劑表面的鐵物種處于低價的亞鐵狀態(tài),這一結(jié)果很好地驗證了基礎(chǔ)研究和理論分析得到的結(jié)論。
通過與新源動力股份有限公司合作,包信和小組將這一催化劑應(yīng)用到質(zhì)子交換膜燃料電池燃料氣氫氣中微量一氧化碳脫除的實際過程,在燃料電池真實操作條件下(60~80攝氏度,25%CO2和15%水蒸氣),成功地實現(xiàn)了一氧化碳完全脫除。這是世界上首次報道的用于燃料電池中CO高效脫除的實際應(yīng)用結(jié)果,F(xiàn)在,該催化劑已正常運行超過1500小時,催化劑制備技術(shù)和催化反應(yīng)過程已申報國家發(fā)明專利。
目標:實現(xiàn)貴金屬的完全替代
包信和說:“當然,目前制備的催化劑中還是需要貴金屬鉑。不過我們已經(jīng)明確了在這一高效的催化體系中鉑的作用。除了提供一氧化碳吸附位以外,一個非常重要的作用就是像生物酶中的蛋白配體一樣,通過與鐵原子的相互作用提供了一種納米界面限域機制,穩(wěn)定了具有高活性的CUF結(jié)構(gòu),并在催化反應(yīng)中實現(xiàn)了催化循環(huán)!
依據(jù)這一概念,包信和小組正在尋找合適的襯底材料(如納米結(jié)構(gòu)碳材料、復(fù)合材料等),使其在催化劑中發(fā)揮與貴金屬鉑相似的功能,從而實現(xiàn)在這類催化劑中貴金屬的完全替代。
包信和還特別指出,由這項研究發(fā)展起來的“界面限域催化”概念,為更深入地理解多相催化反應(yīng)機制和創(chuàng)制新的納米催化體系提供了重要的理論基礎(chǔ)和科學(xué)指導(dǎo)。
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