中科大黄伟新团队利用铜纳米晶确定低温水煤气变换反应的催化活性位点

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       水煤气变换（WGS）反应是工业制氢的重要环节之一，能有效降低原料气中的CO含量并等体积的提高其中的H2含量，从而防止贵金属催化剂中毒，并提升体系的制氢效率。目前，工业上使用的低温WGS催化剂多为铜基催化剂，因此研究铜基催化剂的构效关系就具有重大的理论及应用价值。然而，通常采用的纳米颗粒催化剂具有非常复杂的表面结构，其表面不同种类的活性位点呈现出极大的催化活性差异。此外，湿化学法制备过程中引入的表面活性剂等组分包覆在固体催化剂表面，对气-固异相催化反应造成严重干扰。上述复杂情况为铜基催化剂构效关系的研究及催化剂的合理设计带来了极大的困难。

       近日，中国科学技术大学黄伟新教授（通讯作者）课题组通过气相还原法将立方体（c-）、正八面体（o-）、正十二面体（d-）结构的Cu2O纳米晶前驱体分别转化为c-Cu、o-Cu、d-Cu纳米晶，其几何结构均保持不变。以c-Cu、o-Cu、d-Cu纳米晶作为低温WGS反应的模型催化剂，得到以下结论：(1) 铜纳米晶对低温WGS反应的催化活性强烈依赖于晶面，其催化活性顺序为{100}＞{110}＞{111}，即Cu{100}晶面催化活性最强，{110}晶面次之，而{111}晶面几乎没有活性；(2) Cu(100)晶面上的Cu-CuxO（x≥10）界面是催化低温WGS反应的活性位点，该催化循环中所有表面基元反应均能在该位点上顺利进行；而Cu(111)晶面上的Cu-CuxO（x≥10）界面则迅速失活，这是由于低温WGS反应中产生的甲酸盐中间产物稳定吸附在该位点，使催化剂中毒。此外，用等体积浸渍法制备的ZnO/c-Cu对低温WGS反应具有极高的催化活性，其活化能（32.4±0.8 kJ/mol）远低于大多数商业Cu系低变WGS催化剂，为催化剂结构的合理设计提供了依据。该研究成果以“The most active Cu facet for low-temperature water gas shiftreaction”为题，发表在Nature Communications上。