西安交大Fuel：通過缺陷工程增強SMSI效應實現高效脫氫

一、【導讀】

隨著經濟的快速發展，化石燃料的消耗量逐漸增加，環境和能源問題越來越受到關注。作為可再生能源，氫能在能源消耗過程中保持高能量密度和零碳排放，越來越受到關注。然而，儲氫技術是氫能實際應用的關鍵瓶頸。因此，探索高效儲氫技術以滿足氫能的大規模利用至關重要。目前，現有的儲氫技術由于儲氫密度低、能耗高、儲氫材料容易失活和成本高等缺點限制了它們的應用。有機液態儲氫載體（LOHC）被認為是大規模儲氫的理想選擇。其中NECZ/12H-NECZ體系由于具有5.79 wt%的高儲氫容量和50.6 kJ/mol H₂的低脫氫焓的優異性能而受到越來越多的關注。然而NECZ的低脫氫速率和選擇性使12H-NECZ的脫氫過程充滿挑戰。

二、【成果掠影】

基于以上難題，西安交通大學姜召副教授團隊通過將金屬Pt和SiO₂-TiO(OH)₂載體結合制備了Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化劑用于12H-NECZ脫氫。通過研究載體的制備工藝和Pt的負載量篩選出了最佳催化劑。結果表明，2.5wt%Pt/SiO₂-TiO(OH)₂具有最佳的脫氫性能。結合XRD、HRTEM、ATR-FTIR、XPS和EPR分析，詳細討論了催化劑的結構-功能關系和氧空位濃度對催化脫氫性能的影響。此外，研究人員還對其動力學分析和反應機理進行了研究。發現Pt和SiO2-TiO(OH)₂之間的適當金屬-載體強相互作用（SMSI）效應可以調節12H-NECZ的催化脫氫性能。研究成果以題為“Strengthening the metal-support interaction over Pt/SiO₂-TiO(OH)₂ by defect engineering for efficient dehydrogenation of dodecahydro-N-ethylcarbazole”發表在知名期刊Fuel上。

三、【核心創新點】

制備的2.5wt% Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化劑顯示出高效的12H-NECZ脫氫性能，歸因于提高的氧空位濃度增強了Pt和SiO₂-TiO(OH)₂之間的SMSI效應，改變了Pt的電子結構，優化了d帶中心以加速反應。

四、【論文掠影】

圖1、XRD分析 ? 2023 Elsevier

（a）2.5PS、2.5PT、2.5PST、2.5PAT和2.5PCT催化劑的XRD圖案。

（b-c）不同ST載體合成的2.5PST催化劑的XRD圖案。

（d）制備的TiO(OH)₂、SiO₂-TiO(OH)₂、SiO₂-TiO₂和TiO₂載體的XRD圖案。

圖二、ATR-FTIR光譜 ? 2023 Elsevier

（a-b）2.5PT、2.5PS、2.5PST、2.5PAT和2.5PCT在650-4000 cm^-1區域的ATR-FTIR光譜。

（c）不同ST載體合成的2.5PST催化劑在650-2000 cm^-1區域的ATR-FTIR光譜。

（d）ST與2.5PST的ATR-FTIR光譜對比。

圖三、EPR表征 ? 2023 Elsevier

2.5PT、2.5PS和2.5PST催化劑的EPR譜圖。

圖四、XPS表征 ? 2023 Elsevier

2.5PS、2.5PT和2.5PST的Si 2p、Ti 2p、Pt 4f以及O 1s XPS光譜。

圖五、孔徑結構研究 ? 2023 Elsevier

（a）氮氣（N₂）吸附-解吸附等溫線。

（b）2.5PT、2.5PS和2.5PST催化劑的相應DFT介孔尺寸分布。

圖六、TEM表征 ? 2023 Elsevier

（a-b）不同放大倍數的2.5PST催化劑的HRTEM圖像。

（c-e）圖b中不同區域相應局部放大圖像。

圖七、元素分布 ? 2023 Elsevier

（a）HRTEM圖像和2.5PST中Pt的平均尺寸分布。

（b-f）O、Si、Pt和Ti的mapping圖像。

圖八、孔徑結構研究 ? 2023 Elsevier

（a）催化劑在453K下的時間分辨脫氫性能。

（b-i）12H-NECZ脫氫的相應產物分布。

圖九、脫氫反應的動力學研究 ? 2023 Elsevier

三種基本反應在不同催化劑上的速率常數對比。

圖十、本征電子結構與催化性能的關系 ? 2023 Elsevier

（a）2.5PS、2.5PT和2.5PST到VBM的高分辨率價帶。

（b）催化劑的脫氫活性與d帶中心的關系。

五、【總結展望】

綜上所述，研究人員用溶劑熱法合成了Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化劑，并對其脫氫性能進行了研究。結果表明，2.5wt% Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化劑表現出最佳的脫氫性能，釋放量為5.75wt%，NECZ的選擇性為98%。結合XRD、HRTEM、ATR-FTIR和EPR分析表明，增強的性能可以歸因于在2.5PST中SiO2和TiO(OH)₂之間的相互作用促進了氧空位的生成，這提供了Pt納米顆粒的更多錨定位點。本研究為使用缺陷工程方法設計LOHC系統的高效催化劑提供了新的策略。

文獻鏈接：Strengthening the metal-support interaction over Pt/SiO₂-TiO(OH)₂ by defect engineering for efficient dehydrogenation of dodecahydro-N-ethylcarbazole (Fuel 2023, 334, 126733)

本文由賽恩斯供稿。