中科院理化所张铁锐研究员团队：铜铂协同，高效的光驱动无CO2排放乙醇制氢

通讯作者：张铁锐*，施润*

单位：中国科学院理化技术研究所

氢能源因具备高热值与零碳排放特性，被视为21世纪最具潜力的清洁能源之一。然而，当前主流制氢技术仍依赖甲烷等化石燃料的重整工艺，该过程伴随大量二氧化碳排放，与绿色氢能发展目标存在本质矛盾。因此，开发高效低碳的可再生制氢技术已成为实现全球“双碳”战略的核心挑战。乙醇作为生物质发酵产物，兼具可再生性、易储存性和安全性优势，通过乙醇脱氢（ED，CH₃CH₂OH→CH₃CHO+H₂）可同步产氢与高附加值化学品乙醛，且无二氧化碳副产物生成，展现出构建绿色氢能体系的独特潜力。但传统乙醇脱氢反应需在250-350°C高温下进行，存在能耗高、经济性差等瓶颈问题。

基于此，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员团队在期刊Industrial Chemistry & Materials上发表题为“Light-Driven Ethanol Dehydrogenation for Hydrogen Production over CuPt Bimetallic Catalysts”的研究论文，创新性地开发了水滑石衍生的铜铂双金属催化剂（LD-CuPt）。通过引入铂纳米颗粒，促进了周围金属铜的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，该催化剂在无外源加热的紫外-可见光辐照下，实现了136.9 μmol g⁻¹ s⁻¹的氢气产率，乙醛碳选择性达83%且无二氧化碳生成。研究团队通过表观活化能测试、时域有限差分（FDTD）模拟等一系列实验和模拟，系统揭示了铂对铜的LSPR效应的增强机制及其与催化活性的构效关系。本工作为太阳光驱动的乙醇零二氧化碳排放制氢技术提供了新思路。

图1 LD-CuPt催化光驱动乙醇脱氢制氢

图2（a）LD-CuPt的合成示意图；（b）LD-CuPt和LD-Cu的XRD图谱；（c）LD-CuPt和LD-Cu的Cu 2p轨道XPS光谱；（d）LD-CuPt和LD-Cu的Pt 4d轨道XPS光谱；（e）LD-CuPt、LD-Cu和参考样品的Cu K边X射线吸收近边结构；（f）LD-CuPt、LD-Cu和参考样品的Cu K边EXAFS光谱；（g）LD-CuPt的k2加权EXAFS信号的小波变换。

图3 LD-CuPt的形貌表征（a）TEM图像，（b）HRTEM图像（插图是方框区域的快速傅里叶变换），（c）HAADF-STEM图像，以及（d）EDS元素分布图。

2 性能测试

图4（a）LD Cu、LD CuM和对照样品的H₂生产速率；（b）LD-CuPt的H₂生产速率与Pt负载量的关系；（c）LD-CuPt和LD-Cu的紫外-可见吸收光谱；（d）LD CuPt和空白在紫外-可见光照射下的表面温度（光强为1.1 W cm^-2）；（e）LD-CuPt在280°C的光照和条件下的生产速率和乙醛选择性；（f）LD-CuPt和LD-Cu的光驱动乙醇脱氢反应稳定性测试。

3 机理探究

图5（a）LD-CuPt和LD-Cu在光照和黑暗条件下的H₂生产率与反应温度的关系图；（b）LD-CuPt和LD-Cu的H₂生产Arrhenius图；（c）单色光照射下280°C下LD-CuPt的紫外-可见吸收光谱和相应的H₂生成速率；（d）Cu NP和（e）被四个Pt NP包围的Cu NP的FDTD模拟。彩色条显示了由光源强度归一化的电磁场强度（|E|2/|E0|2）。

4. 总结与展望

本工作利用水滑石拓扑转变的策略成功合成了一种铜铂双金属催化剂，并将其应用于催化光驱动的乙醇脱氢制氢反应中。得益于强化的LSPR效应，LD-CuPt在无外部加热的紫外-可见光照射下实现了136.9 μmol g⁻¹ s⁻¹的H₂生产速率，乙醛的碳选择性可达83%且无二氧化碳排放。该工作提供了一种零二氧化碳排放的光驱乙醇制氢策略，为未来太阳光驱动的无碳排放制氢提供了技术积累。

Light-Driven Ethanol Dehydrogenation for Hydrogen Production over CuPt Bimetallic Catalysts

张铁锐研究员简介：中科院理化技术研究所研究员、博士生导师，中国化学会会士，英国皇家化学会会士，中科院光化学转换与功能材料重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，连续入选2018-2023科睿唯安“全球高被引科学家”。基于水滑石材料表界面结构的可控构筑，建立了水滑石基氮&碳资源小分子光化学转化体系，在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表论文370篇，被引用4.7万余次，H指数119，授权中国发明专利59项。获得中国感光学会科学技术奖-特等奖（第一完成人，2021），The winner of second Nano Materials Science Awards（2023），北京市自然科学基金优秀成果奖（2018）等奖项。兼任Sci. Bull.、Ind. Chem. Mater.、Nano Res. Energy和Trans. Tianjin Uni.副主编以及Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Chem. Sci.等期刊编委。现任中国可再生能源学会光化学专业委员会-副主任常委，中国化学会能源化学专业委员会-秘书长，中国感光学会光催化专业委员会-主任委员等学术职务。