北京
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研究内容
水煤气变换（WGS）反应通常在高温下进行，需要从甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和残余一氧化碳（CO）中分离氢气（H2）。设计使CO氧化和H2生产分离的工艺提供了获得高纯度H2流的替代策略至关重要。
新加坡国立大学颜宁教授和天津大学马新宾教授报道了一种电热WGS工艺，该工艺将CO在硅钼酸（SMA）负载的Pd单原子催化剂（Pd1/CsSMA）上的热氧化和电催化H2析出相结合。这两个半反应通过磷钼酸（PMA）作为氧化还原介质在0.6 V的中等阳极电位下进行耦合。在优化的条件下，催化剂的TOF为1.2 s-1，转化数超过40000摩尔2/molPd，实现稳定的H2生产，纯度始终超过99.99%。相关工作以“Electrothermal Water-Gas Shift Reaction at Room Temperature with a Silicomolybdate based Pd Single-Atom Catalyst”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
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研究要点
要点1.电热水煤气变换（ETWGS）工艺是通过PMA在Pd1/CsSMA上的CO热氧化和PMA（红色）在阳极室中的电氧化的快速氧化还原循环以及在室温下阴极室中的H2生成（99.99%）成功实现的。更具体地说，催化剂在将CO转化为CO2的同时被还原，将电子和质子转移到溶液中的PMA，进而将电子传递到碳阳极。通过质子交换膜进行离子连接，然后阴极在温和的施加电势下形成H2。
要点2.通过平衡热催化和电催化之间的反应速率，Pd1/CSMA表现出优异的活性和良好的耐久性，TOF约为1.2 s-1，TTN约为41438 molCO2/molPd。通过分别研究热催化和电催化反应步骤来预测和优化该装置的性能。
要点3.电热概念为实现化学工艺提供了一种新的途径，该工艺具有改进的控制水平、在较温和的工作条件下操作以及简化/消除产品净化。从应用的角度来看，ETWGS工艺利用化学试剂来氧化CO和储存电子，因此适合于利用没有稳定和连续电源的可再生电力。
该工作的主要目的是为WGS反应提出一种结合热催化和电催化的新概念，并开发一种在强酸性电解质中运行的新催化剂。
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研究图文
图1.（a）直接电化学（以前的工作）和（b）间接电热（本工作）水煤气变换反应示意图。
图2.钯基单原子催化剂的结构表征。
图3.（a-c）热一氧化碳（CO）氧化和（d-f）电化学还原磷钼酸（PMA（红色））氧化的反应动力学。
图4. 电热水煤气变换（ETWGS）过程中热化学和电化学平衡的建立以及Pd1/CSMA催化剂的耐久性试验。
图5. 反应前后非均相Pd1/CSMA和均相PMA溶液的结构变化。
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文献详情
Electrothermal Water-Gas Shift Reaction at Room Temperature with a Silicomolybdate based Pd Single-Atom Catalyst
Jinquan Chang, Max J. Hülsey, Sikai Wang, Maoshuai Li, Xinbin Ma,* Ning Yan*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202218265
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