白树行教授Nano Enegy：解锁氢能新密码!铂锡金属间化合物几何效应助力高效制氢

第一作者：贾安康

通讯作者：白树行*

单位：青岛大学，中国石油大学（华东）

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醇类与水（H₂O）的水相重整（APR）是最有前景的现场制氢技术，能省原料气化能耗且副产 CO 选择性低。APR 催化剂中，铂基催化剂因离解 C-O、C-H 键能力强且水气变换反应（WGSR，CO + H₂O→ CO₂ + H₂）性能高，表现出较高的产氢活性。但纯铂催化剂难满足实际应用，研究人员添加第二种元素（Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Re、Sn）等元素提升铂原子利用率、氢气生产效率，降低产物中 CO 选择性，这与电子、几何效应相关。电子效应经铂原子与活性中心电子转移，改变电子云密度及 d 带中心与费米级距离，调整吸附解吸能力，提升催化性能。Sn 作辅助元素利于水解离并促进 WGSR，提升醇电氧化和液相重整催化性能。在此，我们了合成两种电子特性相近的铂锡金属间化合物，探索醇类 APR 中几何效应机理。

近日，来自青岛大学的白树行教授团队在Nano Energy上发表最新研究成果，报道了一种六方晶系铂锡合金（PtSn/C₃N₄），该合金在甲醇水相重整（APR）制氢中展现出卓越性能，其转化频率高达56024 h⁻¹，氢气产率较Pt₃Sn/C₃N₄高出1.5倍。研究发现，PtSn/C₃N₄与Pt₃Sn/C₃N₄的表面铂原子电子云密度及d带中心几乎相同，表明电子效应对性能提升作用有限。进一步研究表明，PtSn/C₃N₄的优异催化活性主要源于几何效应：其较短的Pt−Sn键长和较低的Pt−Pt配位数有效抑制了CO与H₂O间氢键形成，削弱了二者共吸附作用，降低了形成HCOO*这一APR限速步骤的能量需求（0.60 eV对比0.92 eV），从而显著提升了催化效率。

本研究通过精准调控铂锡合金的晶体相（hcp vs fcc），揭示了几何效应在甲醇水相重整（APR）中的主导作用。hcp-PtSn/C₃N₄因更短的Pt–Sn键长和更低的Pt–Pt配位数，显著抑制了CO与H₂O的强氢键作用，降低决速步能垒，从而实现了56,024 h⁻¹的超高TOF和77.6 kJ·mol⁻¹的低活化能。C₃N₄载体通过氮原子锚定金属颗粒，保障了催化剂的稳定性。该工作不仅为高效APR催化剂设计提供了新策略，也为催化领域的“结构-活性”关系研究建立了理论框架，推动氢能技术的实际应用。

Ankang Jia, Xing Fan, Xiaopeng Liu, Jiangdong Bai, Haiping Lin, Yecan Pi*, Wei Deng*, Shuxing Bai*, Hexagonal close-packed platinum–tin for efficient hydrogen production via aqueous phase reforming, Nano Energy, 2025: 111052.

白树行教授简介，青岛大学化学化工学院第三层次特聘教授，2016年硕博连读获得华东理工大学博士学位，博士期间从事稀土氧化物上含氯挥发性有机物催化燃烧研究，导师为王幸宜教授；博士后期间从事贵金属材料可控制备及其在小分子转化中的应用，合作导师为黄小青教授（国家杰出青年获得者）；2020年加入青岛大学，主要从事贵金属催化剂设计合成及其在可持续能源转化中的应用。目前主持国家自然科学青年基金，山东省自然科学青年基金多项，并在J. Am. Chem. Soc，Adv. Mater，Nat. Commun，Nano Energy，ACS Catal，Small，Chem. Eng. J等国际高水平期刊发表论文50余篇。

贾安康，博士研究生，就读于中国石油大学（华东）重质油全国重点实验室。