當前乃至30-50年內經濟和社會的發展仍以碳基為主的能源消費結構為基礎，而該能源結構導致的環境污染和生態文明建設之間的矛盾愈發凸顯，實現含碳資源高效清潔轉化利用是當前解決這些矛盾的重要途徑之一。而未來，人類將面向以低碳與無碳能源經濟為基礎的可持續能源結構，特別是以氫能為主的能源體系新結構。其中氫燃料電池是最具潛力的新一代能量提供系統，但是氫氣化學性質活潑，氫氣的存儲和輸運一直以來是阻礙氫能源大規模應用的瓶頸。目前，雖然豐田實現了氫燃料電池汽車的示范，而氫氣儲存在約120L、壓力高達700公斤的鋼瓶中，其安全性不容樂觀，并且城市內加氫基礎設施建設亦存在一定隱患。此外，目前其他的氫氣儲放體系，或價格昂貴，或存儲容量有限。針對這些不足，將氫氣存儲在甲醇中成為了科研人員所感興趣的解決途徑，甲醇能夠和水進行液相重整并原位釋放高質量密度（18.8wt%）的氫氣。但傳統的甲醇蒸汽重整操作需要在相對較高的溫度（200~350 oC）下進行，為實現高效并在溫和條件下制氫，突破氫氣的存儲和輸運瓶頸，亟待開發新型甲醇水重整高效催化體系。
最近，中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室溫曉東（中組部青年千人，中科院百人）課題組與北京大學化學與分子工程學院馬丁、中國科學院大學周武，以及大連理工大學石川等課題組合作，針對甲醇和水液相制氫反應的特點，從實驗設計出發，結合理論計算開發出新型原子級分散的鉑-碳化鉬雙功能催化劑，實現了在低溫下（150~190 oC）高效的產氫效率。研究發現金屬鉑（Pt）與碳化鉬（MoC）基底之間存在著非常強的相互作用，使得Pt以原子級分散在MoC納米顆粒表面，構筑出高密度的原子尺度催化活性中心。單分散Pt主要負責甲醇的解離過程，而MoC主要負責水的解離過程，重要的是這兩個催化過程的反應速率相近，進而形成了高效的雙功能催化體系。
原子級高度分散的Pt中心和碳化鉬基底之間的協同作用能夠在兩者界面實現對反應中間體的高效活化和協同轉化，從而使得整個催化劑在甲醇和水液相反應中表現出超高的產氫活性，在150oC就能以2,276 molH2/(molPt*h)的反應速率釋放氫氣，進一步提高溫度至190oC，放氫速率可達18,046 molH2/(molPt*h)，較傳統鉑基催化劑活性提升了近兩個數量級。同時，原子級分散的特點能最大限度地提高貴金屬鉑的利用率，以產氫活性估計，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產氫速率達到1 kgH2/h，基本滿足商用車載燃料電池組的需求。以目前甲醇市場價格（2400元/噸）計算，采用此技術路徑儲放氫氣，氫燃料電池汽車每百公里燃料價格僅需約13元，而加60~80升甲醇可供家用小轎車行駛600~1000公里。該研究工作為含碳資源高效清潔轉化利用提供了新的方向，實現了從含碳資源到無碳能源的高效溫和轉化，為氫能制備、存儲及安全利用提供了新的思路，并有望作為下一代高效儲放氫新體系得到應用。該研究成果以Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts 為題發表于3月23日的《自然》（Nature，doi：10.1038/nature21672）上。美國化學會C&E News 雜志以《氫能源：制備氫燃料新過程》（New process for generating hydrogen fuel）為題對該工作進行了亮點報道。特拉華大學能源中心主任Dion Vlachos評論這個新過程“在反應性能上處在技術前沿”；而德國萊布尼茲催化所所長Matthias Beller認為這個催化體系是一個重大突破。此類催化劑還有望在其他水相重整制氫過程，如在生活廢水、乙醇等原料的催化產氫中發揮優勢作用。
該文第一作者是北京大學林麗利、國科大研究員周武和中科院山西煤化所煤轉化國家重點實驗室/中科合成油博士高瑞。該研究得到中組部國家青年千人計劃、國家自然科學基金（重大研究計劃-碳基能源轉化利用的催化科學）、中科院百人計劃、山西省百人計劃等項目資助。
單分散Pt與MoC載體間的雙功能甲醇水重整制氫催化劑的設計
基于原子級分散Pt-MoC催化體系的甲醇和水液相高效溫和條件制氫示意圖