劉志剛教授課題組在《Appl. Catal. B》發表最新研究成果：原子分散的金催化劑用于燃料電池原料富氫氣中一氧化碳優先氧化的研究（圖文）

我校2003网站太阳集团劉志剛教授課題組在用于燃料電池原料富氫氣中一氧化碳優先氧化的金催化劑研究上取得最新進展，他們以铈锆固溶體為載體，制備了一系列低金負載量的催化劑，最佳負載量為0.02 wt% Au，該催化劑可在質子交換膜燃料電池工作溫度範圍内幾乎完全氧化CO，并且穩定性優良。同時，他們發現金團簇有優良的低溫活性，但是高溫下易發生H₂氧化副反應因而無法完全氧化CO，而高度分散的金單原子會抑制H₂的氧化從而達到完全轉化CO的目的，另外，相鄰金單原子之間的協同作用也會對CO和H₂的競争反應産生影響。相關成果以“Atomically dispersed Au catalysts for preferential oxidation of CO in H₂-rich stream”為題發表于《Applied Catalysis B: Environmental》。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)以全氟磺酸膜為電解質，Pt/C為電極催化劑，純氫氣為燃料，具有工作溫度低、效率高、體積小易操作、啟動快的優點。PEMFC所用的H₂來自于碳氫化合物的催化重整和液體燃料的部分氧化，在使用過程中，為了保證燃料電池的性能和壽命，原料氫氣必須經過淨化處理，因為原料氣中的微量CO容易吸附在Pt催化劑上毒害電極，隻有當CO濃度低至10-100ppm以下，才能确保電池的正常使用。目前，CO優先氧化法是将CO含量降至電極可耐标準的最有效而經濟的方法。

劉志剛老師課題組采用簡單經濟的共沉澱法以及沉積沉澱法制備了一系列高效金催化劑，當金負載量大于0.05 wt%時，催化劑表面有金團簇出現，當金負載量小于或等于0.05 wt%時，金物種以單原子形式存在。結合表征結果及催化性能，他們發現，零價金在高溫下容易引起H₂的氧化，所以當金負載量大于0.05 wt%時，雖然催化劑低溫活性良好，但是高溫下因為H₂的競争反應而無法完全轉化CO；以氧化态形式存在的高度分散的金單原子則會抑制H₂的氧化，O₂更容易與CO發生反應，因此在合适的溫度範圍内，混合氣中的CO幾乎可以被完全轉化（圖1）。有趣的是，即使金都以單原子形式存在，其催化活性也有不同，這可能是因為增加金的負載量即金單原子的分布密度，會引起相鄰兩個金單原子之間的協同作用，從而在一定程度上影響了反應能壘和路徑。

理論計算證明了，對于單個金原子而言，CO氧化更容易發生，因為H₂在競争吸附中占不利位置且氧化能壘更高；另一方面，CO氧化反應更傾向于按照L-H機理發生（圖2）。

本工作不僅為低負載貴金屬催化劑的合成鋪平了道路，而且為判斷金物種在催化富氫氣中一氧化碳優先氧化中的作用提供了新的視角。

碩博連讀研究生向港華為論文第一作者，劉志剛教授、費慧龍教授以及劉春豔副教授為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金面上項目、湖南省自然科學基金項目、湖南省科技廳創新項目等資助。