固态混合法制备TiOx修饰的Pt纳米团簇/Al2O3催化剂用于高效稳定的液态有机氢载体脱氢

研究人员针对液态有机氢载体（LOHC）脱氢反应中催化剂活性与稳定性不足的问题，通过固态混合法（SDP）设计了一种介孔Pt-Al2O3-TiO2催化剂（mPtAT）。该策略利用TiOx部分覆盖Pt纳米团簇，优化强金属-载体相互作用（SMSI），显著提升了H2释放效率、选择性和长期稳定性，为LOHC系统提供了高性能催化解决方案。

　　

研究背景与意义

液态有机氢载体（LOHC）技术被视为氢能储存与运输的关键解决方案，但其核心瓶颈在于高效催化剂的开发。传统Pt基催化剂在脱氢反应中常面临活性位点易失活、产物选择性低等问题，而强金属-载体相互作用（SMSI）的调控成为突破方向。然而，常规合成方法（如共沉淀、浸渍）难以精确控制TiO_x对Pt纳米团簇的覆盖程度，导致活性与稳定性难以兼得。

韩国国立研究基金会支持的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表论文，提出了一种创新的固态混合法（SDP），通过溶剂缺失沉淀将高结晶度锐钛矿TiO₂（a-TiO₂）与非还原性Al₂O₃载体结合，构建了具有异质界面的介孔Pt-Al₂O₃-TiO₂催化剂（mPtAT）。该催化剂通过局部TiO_x覆盖Pt团簇，实现了活性位点电子结构与几何结构的双重优化，在LOHC脱氢中展现出卓越性能。

关键技术方法

研究采用溶剂缺失沉淀法（SDP）将(NH₃)₄Pt(NO₃)₂、Al(NO₃)₃·9H₂O与a-TiO₂粉末固态混合，经高温H₂还原获得mPtAT。通过N₂物理吸附、HAADF-STEM、XPS等技术表征催化剂结构，结合H₁₂-BT和MCH脱氢反应评估性能，并考察了还原温度与TiO₂含量对SMSI的影响。

研究结果

催化剂合成与结构表征

mPtAT的介孔结构（孔径5.0 nm）和2.84 wt% Pt负载量通过SDP法实现。HAADF-STEM显示Pt纳米团簇（1-2 nm）优先分布于TiO₂域附近，XPS证实TiO_x覆盖导致Pt部分氧化态（Pt^δ+）比例增加，同时抑制了低配位Pt缺陷位点。

SMSI效应调控

高温还原（500°C）诱导TiO_x迁移，仅覆盖Pt团簇高度的约50%，形成“半包覆”结构。这种局部覆盖既保留了金属活性位点的可及性，又通过Pt-TiO_x界面电子转移优化了H₂活化能垒。

催化性能

在H₁₂-BT脱氢中，mPtAT的H₂产率较传统Pt/Al₂O₃提升2.3倍，且选择性>99%。连续反应100小时后活性仅下降8%，归因于TiO_x对Pt团簇的动态稳定作用。

结论与意义

该研究通过固态混合法实现了TiO_x对Pt纳米团簇的精准修饰，揭示了“半包覆”结构在平衡活性与稳定性中的关键作用。mPtAT催化剂在LOHC脱氢中的优异表现，为设计高效SMSI调控策略提供了新范式，推动了氢能储存技术的实用化进程。