过程工程所等借助单原子催化破解空间位阻实现液态有机储氢材料低温释氢

液态有机储氢（LOHC）技术被视为解决氢能安全储运难题的关键路径之一。近日，过程工程所刘阔研究员团队，联合中国科学院大学、中国科学院大连化学物理研究所及香港城市大学，通过设计单原子铂（Pt）催化剂，成功诱导全氢二苄基甲苯（H18-DBT）遵循“中间环优先”脱氢新路径，在仅0.5 wt%的Pt负载量下，于200°C低温即可实现高效释氢，为氢能安全储运提供了全新解决方案。相关工作于8月28日发表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.6119233）。

氢气的安全高效储运是制约氢能产业规模化发展的关键技术瓶颈。液态有机储氢技术利用不易挥发的有机液体化合物作为储氢载体，是解决氢能安全高效储运的重要路径。其中，二苄基甲苯（DBT）因储氢容量高（6.2 wt%）、安全性好、化学稳定性优异而备受关注。然而，DBT储氢后的分子H18-DBT的脱氢过程通常需要在260°C以上高温进行，能耗较高。此前研究发现，传统Pt基催化剂表面的位阻效应迫使脱氢优先从H18-DBT分子侧环开始，而侧环C-H键解离能较高，导致脱氢温度居高不下。因此，如何打破这一路径限制，实现低温高效脱氢，是该领域长期未能攻克的核心难题。

面对上述挑战，研究团队借助密度泛函理论（DFT）计算，提出当Pt单原子锚定于氧化铈台阶位且配位数约为4时，H18-DBT分子的中间环最接近活性位点，最有可能降低脱氢温度。基于这一推测，团队通过调控氧化铈载体上Pt单原子密度，成功将Pt-O配位数从6.0调控至4.2，并将Pt单原子锚定于载体台阶位。该单原子催化剂完全克服了传统Pt纳米粒子催化剂上的空间位阻限制——中间环首个C-H键断裂能垒远低于侧环C-H键断裂能垒，实现了“中间环优先”的脱氢新路径。得益于独特的反应路径，0.5% Pt₁/CeO₂催化剂（CN_Pt-O≈4.4）展现出卓越的低温活性和稳定性：在200°C即可启动脱氢反应，240°C时能够达到约76%的脱氢度，300°C时脱氢速率达83430.0 mol_H2 mol_Pt^-1 h^-1，远远高于文献报道的最高速率；经50次循环后脱氢效率仍然稳定在约90%的水平，展现出良好的工业应用潜力。

该研究实现了单原子催化剂在二苄基甲苯基LOHC体系中的高效脱氢应用，并开创性地通过位点工程设计，成功引导反应走向能量更优的“中间环优先”脱氢路径，为攻克LOHC技术中高温脱氢的瓶颈问题提供了全新的解决思路。

过程工程所为该研究第一完成单位，过程工程所博士后张礼刚为论文第一作者，过程工程所研究员刘阔和香港城市大学教授刘彬为通讯作者。

该工作得到了介科学与过程工程全国重点实验室研究基金项目、国家自然科学基金单原子催化基础科学中心项目、中国科学院绿色制造创新研究院等项目的资助与支持。上海同步辐射光源为该研究提供了技术支持。

图 Pt₁/CeO₂ 单原子催化剂调控的H18-DBT 脱氢路径新机制示意图

论文链接： https://doi.org/10.1002/anie.6119233

（离子液体与低碳能源研究部）