北科大《JAC》：化腐朽为神奇，准晶应用取得进展！

2021-07-02 10:38:47 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

氢作为理想的化学燃料、能源载体和储能工具，能有助于化解能源危机和提升环境保护。甲醇水蒸气催化重整制氢是一种重要的工业产氢手段，可应用于燃料电池，在交通领域等大有可为。寻求一种工艺简单、不含贵金属、绿色无毒、低温高效的催化剂是甲醇水蒸气重整制氢的研究热点。

准晶是20世纪80年代发现的一种新的物质形态，在结构上具有长程准周期序和传统晶体所不具备的旋转对称性。准晶具有耐磨，耐蚀，高硬度等优异的性能，然而也具有很大的脆性。由于准晶的脆性，限制了准晶的工业化应用，特别是作为结构材料的应用。

北京科技大学何战兵等反其道而行之，他们利用准晶脆性大因而易粉碎的特点，制备出50微米左右的Al63Cu25Fe12准晶粉末，并以此为前驱体，采用脱合金化的方法成功开发出一种形貌可控的纳米颗粒覆盖多孔基体的纳米复合材料催化剂。该催化剂在甲醇水蒸气重整制氢反应中表现出优异的低温催化性能，如在温度低至220°C时甲醇的转化率仍高达90%，优于大部分工业用催化剂在相同温度下的催化性能，表现出良好的工业应用潜力。

他们分析认为，准晶中所含的铜元素为催化活性中心，在催化反应中起到关键作用，铁氧化物起到稳定活性中心的作用。由于该催化剂的制备工艺简单、不含贵金属、绿色无毒、低温高效，是一种理想的甲醇水蒸气重整制氢催化剂。何战兵等将准晶材料的脆性大这一缺点变成可利用的优点，这种“化腐朽为神奇”的研究思路为准晶的工业应用带来了契机。

该研究成果由北京科技大学新金属材料国家重点实验室何战兵教授与辽宁石油化工大学张磊副教授、新疆大学任铁真教授等合作完成，相关论文以题为“A composite having a porous substrate and polyhedral Cu-Fe oxide nanoparticles showing high catalytic activity during the steam reforming of methanol at low temperatures”发表在Journal of Alloys and Compounds 885 （2021） 160854上。何战兵教授是论文通讯作者，其硕士生白帆为该论文的第一作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160854

该研究获得国家自然科学基金面上项目（51871015）的资助。论文通讯作者何战兵教授师从我国准晶研究先驱郭可信先生，长期致力于准晶材料的深入系统研究，取得了系列研究成果。如：

1、发现了一种新的固体物质形态。这种新的物质形态与铝基十次准晶的结构相关，由周期排列的结构块之间镶嵌非周期结构块形成。它同时具有传统晶体材料的周期平移对称性和准晶体的准周期性，将晶体和准晶体结构上的矛盾巧妙的融合在这一新的固体物态之中，Acta Cryst. A, 76, 137–144 （2020）。

2、在实验上发现了一种新的准晶准单胞。这不仅为解析准晶的结构提供了便利，也为解释准晶的生长提供了实验上的支持。回答了“准晶体能否有一个像传统晶体一样的单胞？”这一准晶研究领域的重要科学问题。该成果发表在Nature Communications 11, 6209 （2020）上，且被遴选为Editors' Hightlights的特色论文。

3、提出一种新的合金设计思路，成功制备出近等原子比高熵十次准晶。填补了高熵合金相结构家族中无十次准晶相的空白。该研究提出的高熵准晶的设计理念也为设计新型高熵准晶提供了新思路，Science China Materials, 64（2）：440–447 （2021）。

图1 （a, b, c）纳米颗粒覆盖多孔基体的纳米复合材料催化剂的SEM图。（d） , （g） , （h） Cu, Fe, O的元素分布图。（e）六面体颗粒的粒径分布柱状图。（f）氮气等温吸附-脱吸附曲线及孔径分布图。

图2 复合催化剂在甲醇水蒸气重整反应中的催化性能评估。（a）甲醇转化率。（b）氢气选择性。（c）一氧化碳选择性。（d）氢气产率。

图3 相关铜基催化剂在甲醇水蒸气重整反应中的催化活性对比图（★代表本研究）。其中Cu/（Zn/Al）催化剂研究最广泛，也是工业催化剂类型。其性能提升依赖于复杂制备工艺及贵金属元素添加。而本研究合成的催化剂工艺简单，不含贵金属，在493 K下表现出优异的低温活性：甲醇转化率达到90%，远高于Cu/（Zn/Al）工业催化剂在该温度下相应的甲醇转化率（仅为20%-30%）[Ref.1: Appl. Catal. A Gen. 358 （2009） 7-12. Ref.2: Int. J. Hydrogen Energy 34 （2009） 7648-7655.]。

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