基于微动力学建模的见解：水-气变换催化作用——揭示活性过渡金属基双金属合金的机理

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Microkinetic modelling-driven insights into water–gas shift catalysis—Towards unravelling active transition metal-based bimetallic alloys

氢能作为清洁能源备受关注，水煤气变换反应（WGS）是制氢关键步骤。本文通过微动力学模型（MKM）研究过渡金属催化剂活性，发现Cu活性最高（10??s?1），但单金属催化剂易失活。通过构建Cu、Co、Pt、Ni等双金属合金，发现Cu?Rh和Cu?Pt活性达10?2s?1，优于单金属催化剂。Co?Pt、Co?Pd等合金也表现出高活性（10?3s?1）。研究为高效催化剂设计提供了理论依据。

　　

摘要

在持续的能源危机中，对环保燃料的需求激增。氢（H₂）是一种清洁能源，具有成为未来燃料的巨大潜力。它可以通过水-气转换（WGS）反应生成。目前，用于WGS反应的催化剂存在一些局限性——热烧结、一氧化碳（CO）中毒以及不适用于小规模操作。为了克服这些障碍，开发了一个微动力学模型（MKM），以识别出最活跃的过渡金属催化剂和双金属合金催化剂。该模型基于过渡金属催化剂的（211）台阶位点构建，使用碳和氧的结合能作为描述参数。在573?K和10?bar的反应条件下，初始转化率为10%时，铜（Cu）表现出最高的转化速率，为10^?4?s^?1，活性顺序为：Cu > Co > Pt > Ni > Rh > Ru > Pd > Au > Ag。大多数单一金属催化剂由于催化剂失活而表现出较低的转化速率。为了解决这个问题，研究了基于Cu、Co、Pt和Ni的双金属合金催化剂，其中Cu₃Rh和Cu₃Pt被确定为潜在的优质合金催化剂（转化速率约为10^?2?s^?1）。此外，Co₃Pt、Co₃Pd、Cu₃Ni、Pt₃Cu、Ni₃Pt和Ni₃Pd的转化速率（约10^?3?s^?1）也高于最活跃的单一金属催化剂。这些发现揭示了高性能催化剂，后续可以通过实验进行验证。

利益冲突声明

无需声明任何利益冲突。