学院新闻

  • H2O和CO的活化新模式:高密度原 H2O和CO的活化新模式:高密度原子级分散Pt/α-MoC催化剂上的高效产氢

           “氢能经济”被认为是实现社会可持续发展的关键进程之一。从水中产氢,以及氢气的输运和高效纯化是“氢能经济”发展的核心。其中,水煤气变换(water-gas-shift: WGS)反应与甲烷水蒸气重整反应的组合是目前工业制高纯氢气的主要关键技术之一。除此之外,氢燃料电池作为氢能的重要应用技术面临氢燃料中少量一氧化碳(CO)对燃料电池毒化的难题。因此,发展低温、高效、稳定的水煤气变换制氢催化剂,对上述工业产氢过程和氢能的大规模应用具有重要意义。

           2017年,北京大学马丁教授课题组与中国科学院大学周武教授、大连理工大学石川教授、中科院山西煤化所温晓东研究员课题组合作,发现立方相碳化钼(α-MoC)负载的高分散贵金属铂(Pt)和金(Au)催化剂具有优异的催化产氢活性,可用于低温原位产氢和氢气纯化(Nature 2017, 544, 80-83;Science 2017, 357, 389-393)。该研究团队还发现,当Pt以原子级分散存在于α-MoC表面时,Pt原子与α-MoC之间的电荷转移能够有效地提高Pt的抗一氧化碳毒化特性,开辟了将粗氢、重整气乃至CO+H2O等多种低成本氢源直接用于高效选择性加氢反应的新途径(Nature Nanotechnology 2019, 14, 354-361)。今年年初,该研究团队进一步发展了将更为廉价的镍(Ni)以及镍、钴(NiCo)原子级分散负载于α-MoC上用于甲醇/水重整产氢和硼烷氨水解产氢,从而有望大幅度降低产氢催化剂的生产和使用成本(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1, 309-317; J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.0c11285)。

           在过去几年的研究中,该研究团队发现:虽然α-MoC负载催化剂能实现高活性的催化产氢,但是一定温度下在α-MoC表面吸附解离的水分子如果不能及时转化,在长效催化过程中存在深度氧化α-MoC从而导致催化剂失活的问题。此外,根据美国能源部于2004年发布的车载燃料电池发展规划,水煤气变换产氢催化剂的使用成本只有低于$1/kW并且催化剂重量低于0.11 kg/kW才有望被推广使用。如何进一步提高催化剂的反应活性及长效稳定性成为迫切需要解决的科学问题。

           近日,中国科学院大学周武课题组与北京大学马丁教授课题组、大连理工大学石川教授课题组合作,再次在《自然(Nature)》杂志发表论文,报道了一种高密度、高分散的原子级Pt物种(单位点Pt1物种以及亚纳米Ptn团簇)和α-MoC组成的界面催化结构用于高效催化水和CO活化。此催化剂在近室温至400˚C的超宽温度区间实现高效水煤气变换制氢,突破了现有催化剂工作温度区间较高且窄的局限,并且大幅度提升了α-MoC负载的WGS催化剂的反应活性及长效稳定性。以贵金属铂的价格为$6,242进行经济衡算,所报道的Pt/α-MoC催化剂首次突破了依据美国能源部2004年车载燃料电池发展规划所推算的催化活性限值(如图1所示)。该研究工作为氢能经济的推广提供了新的技术选择,也为研究者设计高活性、高稳定性的金属催化剂提供了一种新的思路。

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    图1. Pt/α-MoC催化剂的结构及催化性能。

           利用原子分辨的球差校正扫描透射电子显微技术,该研究团队对此Pt/α-MoC催化体系的活性中心进行了原子尺度的系统分析,发现随着Pt负载量的增加,α-MoC颗粒上的Pt物种发生了由原子级分散Pt物种(Pt1)向Pt亚纳米团簇(Ptn)以及Pt纳米颗粒(Ptp)演变的过程(如图2所示),并且这种含有高密度Pt物种的结构能够在催化反应中保持稳定。结合近常压光电子能谱(NAP-XPS)技术以及同位素示踪瞬态动力学分析(TKA)等实验手段,该研究团队直接观察到水分子在α-MoC表面解离的路径,并首次发现了基于CO直接解离步骤的低温协同制氢新路径。在具有高密度Pt物种的催化剂上,这些新反应路径的存在帮助突破了目前一氧化碳和水重整制氢技术温度的极限;同时,原子级Pt物种可以促进CO的吸附活化,高覆盖度Pt物种的存在增强了在α-MoC表面解离的水产生的活泼氧物种的快速反应和脱附,可循环回催化活性位点,有效地防止α-MoC被深度氧化和催化剂失活,实现了高达4,300,000 molH2/molPt(250˚C)的TON值,相较于该研究团队此前报道的Au/α-MoC催化剂结果(Science 2017, 357, 389-393)提升了一个数量级,甚至可与高效的酶催化体系的催化性能相媲美,为燃料电池原位供氢提供了新思路。

           在该研究中,周武课题组进一步发展了具有单原子灵敏度的低电压扫描透射电子能量损失谱成像技术,首次实现了催化剂表面单个Pt原子的实空间化学成像,拓展了低电压球差校正扫描透射电子显微学谱学成像的探测极限(如图3所示)。扫描透射电子显微学作为材料结构分析不可或缺的重要研究手段,不仅实现了催化剂表面活性物种的直接可视化观察,还可对不同表面物种(单原子、纳米团簇等)进行系统的结构和化学成分分析,为探究纳米催化剂的活性本源提供直接的实验依据。

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    图2. Pt/α-MoC催化剂的原子尺度结构表征。

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    图3. Pt/α-MoC催化剂的单原子尺度电子能量损失谱表征。

           该研究成果以“A stable low-temperature H2-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”为题发表在2021年1月21日Nature上(https://www.nature.com/articles/s41586-020-03130-6)。美国化学会Chem. Eng.& News以“Catalyst boosts prospects for fuel-cell vehicles”为题对该工作进行了报道,认为这是一个了不起的发现(a remarkable finding)。北京大学和大连理工大学联合培养博士后张晓,北京大学已毕业博士张梦陶、邓毓晨,中国科学院大学18级博士生许名权为本论文的共同第一作者,中国科学院大学18级博士生李傲雯以及国科大物理学院电镜实验室工程师时金安对本研究亦有贡献。该研究工作获得了国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划、北京高校卓越青年科学家计划项目以及腾讯“科学探索奖”等资助。

    2021-01-21
  • 物理-天文学院党委教工支部召开 物理-天文学院党委教工支部召开预备党员郝文钰同志转正大会

          2021年1月16日中午12点30分,物理-天文学院党委教工支部在玉泉路教学楼709教室组织召开了郝文钰同志转正大会。本次会议由党支部书记朴云松同志主持。

          大会第一项:清点到会人数

          本次会议应到有表决权的正式党员34人,实到24人,超过半数,会议有效。

          大会第二项:由预备党员汇报预备期间情况

          郝文钰同志在发言中对自己的思想、学习、工作等方面进行了汇报。提到自己在一年的预备期中,能够时刻以党员的标准严格要求自己,认真履行党员义务,发挥了党员的先锋模范作用,并希望能早日成为一名正式党员。

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    预备党员郝文钰同志发言

          大会第三项:由两位考察联系人发表意见

          考察联系人王帅同志和王丹同志谈到,在工作和生活中,和郝文钰同志都有交集。疫情期间,该同志积极响应学校教职工不返京不返校的号召,有大局意识,留在外地家中克服困难开展工作。在学科建设填报工作中,能做到认真整理、及时反馈。综上所述,该同志能以党员标准严格要求自己,同意郝文钰同志的转正申请。

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    考察联系人王帅同志发言

          大会第四项:由支委会进行报告

          宣传委员何幸同志代表支委会进行发言。郝文钰同志的转正广泛征求了党内外群众意见,包括党员6人,党外群众6人,均表示同意预备党员郝文钰同志按期转为中共正式党员。2021年1月4日-1月10日间,进行了公示,公示期间对该同志入党动机、思想品德、学习工作、廉洁自律等方面无异议。

          大会第五项:与会同志发表意见

          与会同志郑阳恒、黄梅、彭光雄、张莉等10余人,对郝文钰同志的工作给予了充分的肯定,并同意其按期转正。

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    与会彭光雄同志发言

          大会第六项:由计票人清点并宣布票数

          支部大会应到正式党员34人,实到24人,1人提交了书面意见。经无记名投票表决,25人赞成,0人反对,0人弃权,赞成人数超过应到会有表决权正式党员的半数。

          大会第七项:由支部书记宣读大会决议

          根据党支部的考察意见、考察联系人的考察意见、征求党员和群众意见以及公示的情况,经无记名投票表决,同意郝文钰同志按期转正。

          大会第八项:由预备党员对支部大会讨论的意见和表决结果表明态度

          郝文钰同志表示:“感谢各位同志对我的肯定,感谢各位同志一直以来对我的关心和支持。我将以此作为前行的新起点,在今后的日子里认真践行自己的入党誓词,严格要求自己,认真负责、爱岗敬业、努力学习、不断提高,为做一名优秀党员不懈努力。”

          本次支部大会通过了预备党员郝文钰同志的转正申请,支部大会取得圆满成功。

    2021-01-19
  • 国科大物理-天文学院党委召开2 国科大物理-天文学院党委召开2020年度述职报告会

           2020年1月8日中午12:40,按照学校《开展2020年度党建述职评议考核工作的实施方案》要求,中国科学院大学物理-天文学院党委向所属党员述职。党委书记张莉同志代表学院党委向全体党员作2020年度工作述职报告,此次述职采用线上腾讯会议的形式,物理-天文学院党委副书记黄梅、党委委员郑阳恒、彭光雄、朴云松、王帅、张银,教工党员和学生党员参加了本次会议。

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           张莉同志主要从物理-天文学院党委概况、2020年主要工作及2021年工作举措等三个方面进行了总结汇报。

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           首先,张莉同志介绍了物理-天文学院党委的基本情况。物理-天文学院党委主要负责物理学院,天文学院和核学院党的工作,所属党支部共有8个,其中教工支部1个,高年级学生支部1个,集中教学学生支部6个,共有党员205名。

           学院党委以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,紧密围绕学校和学院中心工作,全面落实新时代党的建设总要求,坚持和加强党的领导,扎实推进党建工作,加强思政教育,落实意识形态工作责任制,深化从严治党,充分发挥了基层党组织战斗堡垒作用。

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           张莉书记接着总结了学院党委2020年主要工作。在以党的政治建设为统领、坚持和加强党的领导方面,学院党委始终把政治建设摆在首位,坚持旗帜鲜明讲政治;履行党建工作主体责任,履行党委书记第一责任人职责;用科学理论武装头脑,系统深入的学习党章党规,组织党章测试,增强党员意识;认真贯彻落实党中央、国务院、中科院、学校各项重大决策部署;做好新冠疫情防控工作,及时传达和组织落实上级文件精神,关心关注师生身心健康,做好思想引领和舆论引导。

           在加强党的组织建设,提升党建质量方面张莉书记介绍了学院党委通过指导组建新生党支部,选举党支部书记及委员,划分党小组等健全基层党组织建设;通过选拔政治素质过硬、专业能力突出的教学科研人员朴云松同志担任教工支部书记,坚持“双带头人”队伍建设;做好党员发展工作,加大在学生中发展党员力度,落实团组织“推优”入党制度,并注重发展优秀骨干教师入党工作;各支部按照党支部标准化规范化要求,推进基层党支部标准化规范化建设;学院党委指导并督促各支部按时召开党小组会、支委会和支部大会,严格“三会一课”制度。

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           在深入推进思政工作,落实立德树人根本任务,发挥党员先锋模范作用方面,学院党委始终坚持育人为本、德育为先,加强学生思想政治教育工作;通过开展师德师风专题学习活动,组织教职工参观“三馆一展一旅一室”等方式,积极推进课程思政和师德师风建设;教工党员积极参与本科教育教学,2020年林晓带领的热学教学团队入选“北京高校优秀本科育人团队”,2020年9月物理学专业入选“基础学科拔尖学生培养计划2.0”;张莉书记分别介绍了学生党员通过挂“党员寝室”标牌、成立“学习研讨互助岗”,教工党员林晓同志、乔从丰同志、周武同志、黄梅同志、张余洋同志获得多项荣誉称号,以实际行动践行党员示范引领作用。

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           在落实意识形态工作责任制,加强对意识形态阵地的管控方面,学院党委加强理论中心组学习,坚持将学习习近平新时代中国特色社会主义思想作为首要政治任务,制定学习计划,分6次进行了8个专题的学习;把意识形态工作列入党建工作重要内容,把思想政治工作贯穿教育教学全过程;强化意识形态阵地管控,学院网站发布的新闻稿,做好把关审核,密切关注师生思想动态,随时关注师生言行,加强网络管控;深入开展“使命在肩奋斗有我”主题教育活动,培养师生爱国爱党情怀,激发勇于担当的精神。

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           张莉书记指出加强党风廉政建设,推动全面从严治党向纵深发展的重要性,学院党委深化落实全面从严治党主体责任,积极落实党风廉政建设责任制,建设廉洁政治、坚决反对腐败,加强和规范党内政治生活;通过学习落实中央八项规定精神,严防“四风”、开展“以案为鉴以案明纪”警示教育学习、组织学习党员干部8小时之外管理监督要求等方式加强党风廉政教育。

           随后,张莉书记提出在过去的2020年党建工作取得了一定的成绩,但也存在不足之处,在今后的工作中,学院党委将正视这些问题,积极采取加强理论知识学习、提高支部建设质量、深入研究探索课程思政工作等措施,努力补齐短板,力争取得更好的成绩。

           会议最后,张莉书记提出展望与号召,呼吁各位党员能够更好的发挥主观能动性,为学院党委发展建设贡献力量。同时指出2021年是中国共产党百年华诞,也是学校“十四五规划”的开启之年,物理-天文学院党委将在学校新一届党委的带领下,深入落实“科教融合、育人为本、协同创新、服务国家”的办学理念,团结奋进,不断进取,为学院高质量发展,为学校率先建成国际高水平研究型大学而努力奋斗!

     

    2021-01-12
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