表面羟基诱导的 TiO2 上的 Pt0 团簇用于协同水煤气变换催化

将尾气变为有用的燃料

水煤气变换反应在许多清洁能源技术中默默发挥基础作用，帮助将工业气体中的一氧化碳转化为额外的氢燃料并生成较安全的二氧化碳。本研究报道了一种通过精细控制载体材料表面微小的羟基——本质上由氧和氢构成的“化学把手”——来调节常见的铂–钛材料催化剂，从而显著提高该反应效率的新方法。

为什么这个反应重要

现代制氢与碳捕集常依赖水煤气变换反应，其中一氧化碳（CO）与水（H2O）反应生成二氧化碳（CO2）和氢气（H2）。像铂这样的金属在加速这类反应方面表现出色，尤其是当它们以极小颗粒分散在二氧化钛（TiO2）等氧化物上时。然而，金属与载体之间的精确相互作用会促进或阻碍性能：如果铂被过度氧化，它就难以吸附 CO；如果氧化物表面缺乏合适的缺陷，水的裂解就会变慢——这两者都会限制氢气产量。

用表面“把手”塑造催化剂

作者设计了一个两步工艺来改造 TiO2 载体，使其携带最佳数量的表面羟基。首先，他们通过强碱处理将商用 TiO2 转化为富含羟基的钛酸盐相。然后，通过在不同温度下在空气中加热该材料，逐步去除部分羟基并重塑固体。在 500 °C 时，他们得到一种称为 TiO2‑T‑500 的载体，它比标准 TiO2 保留更多羟基，但不再呈现容易将金属掩埋的管状形态。当添加铂并使用催化剂时，铂形成约 2 纳米的微小金属团簇，这些团簇在表面上保持可及。

让铂更擅长抓住 CO

通过一系列光谱测量，研究团队表明这些额外的表面羟基有助于在氢处理后将铂推向更金属态（Pt0），而在普通 TiO2 上则更多呈现部分氧化的 Ptδ+ 态。金属态的铂对 CO 的吸附更强并更易活化，研究者通过监测 CO 在反应类条件下的吸附与解吸证实了这一点。在富羟基的载体上，即使长时间通氮清洗，CO 仍然附着在铂团簇上，并更快地与进入的水反应生成 CO2。特别是在铂与 TiO2 界面附近的位点活性更高，这表明金属和载体都参与了关键步骤。

作为牺牲性助剂的羟基

TiO2 上的羟基并非只是旁观者。研究显示 CO 可以直接消耗这些羟基，在主要反应完全展开之前就产生氢气和 CO2。在此过程中，表面的氧被去除，留下氧空位——缺失的氧位点，它们作为裂解新水分子的强锚点。来自拉曼、红外和电子自旋测量的证据均指向在工程化载体上反应进行时此类空位显著增加。这些缺陷在水不断裂解的过程中被再生和补充，使催化剂在不改变整体反应路径的前提下增强了活化 H2O 的能力。

更快的反应与持久的稳定性

因为富羟基载体同时增强了金属铂上 CO 的活化和氧空位处的水活化，整体水煤气变换反应变得更加高效。优化后的催化剂在反应速率和每位点活性上比先前报道的可比铂–钛体系高出约二到三倍，在 250 °C 时几乎实现了完全的 CO 转化。它在至少 70 小时连续运行中也保持稳定，性能无衰减。用通俗的话说，研究者找到了“调定”表面羟基数量的办法，使铂团簇与氧化物表面协同工作，将一种常见材料变成更能胜任清洁制氢任务的高效引擎。

引用: Wang, CX., Wang, WW., Fu, XP. et al. Surface hydroxyl-induced Pt⁰ clusters on TiO₂ for synergistic water gas shift catalysis. Nat Commun 17, 2757 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69612-9

关键词: 水煤气变换, 制氢, 铂催化剂, 钛酸盐载体, 表面羟基