中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在甲醇重整制氢方面取得重要研究进展，该研究成果以“Optimizing selectivity via steering dominant reaction mechanisms in steam reforming of methanol for hydrogen production”为题，在线发表于Nature Communications期刊上。
在“碳达峰、碳中和”战略背景下，绿色氢能在推动能源结构演替方面发挥着至关重要的作用。甲醇水蒸气重整（MSR）制氢作为绿色氢能的重要来源之一，因其高效、可持续和低环境影响，成为研究者关注的重点。提高MSR反应的选择性和氢气产率是该领域亟待解决的关键科学问题，这直接影响到绿色氢能的经济性和应用价值。
钯催化剂（Pd/ZnO）是MSR反应的一种典型催化剂，其目标反应途径为：PdZn合金上反应关键中间体CH2O*被水解离产生的OH*物种氧化为CO2和H2，但同时存在CH2O*直接分解为CO和H2的副反应竞争，导致目标产物的选择性较低。为解决这一问题，本研究提出了一种通过路径优化来精细调控选择性的策略。将Cu引入Pd/ZnO催化剂中，形成稳定的PdCu合金，有效调整催化反应动力学，降低水解离能垒，从而提供了更多活性羟基以促进CH2O*的氧化反应，提高了反应活性和目标产物选择性。同时，PdCu合金上CO解吸的能垒提高，有效抑制了CH2O*的分解，阻碍了副反应产物CO的生成。这一双重功能的调控显著提升了甲醇水蒸气重整制氢的活性和选择性。实验结果表明，优化后的PdCu1/ZnO催化剂的活性比传统Pd/ZnO催化剂提高2.3倍，并且CO选择性显著降低了75%。本研究通过识别并优化关键反应步骤，精细调控催化反应的选择性，为高效催化剂的设计合成及绿氢生产提供了重要指导。
图1. PdCux/ZnO催化剂的(a)晶体结构，(b, c)微观形貌，MSR反应的(d)氢气产率，(e)CO选择性和甲醇转化率。
中国科学院生态环境研究中心博士研究生张梦媛和助理研究员刘智为论文共同第一作者，生态环境研究中心徐光艳研究员、余运波研究员和美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金以及碳达峰碳中和生态环境技术专项的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57274-y
大气环境与污染控制实验室
2025年2月28日