叶金花/宋辉/林惠文JACS: 新策略！非贵金属实现低温MSR制氢

氢气可作为一种替代化石燃料的清洁能源和化工原料，对于人类社会的可持续发展具有重要意义。在水重整的过程中使用稳定的液体(例如CH3OH)可以释放出H2，并且可以安全地储存和运输H2。

目前，使用代表性的铜基催化剂进行甲醇水蒸气重整(MSR)的最新工艺通常在相对较高的反应温度(250-350 °C)下进行，消耗大量的能量投入；而通过水相甲醇重整低温制取H2，仍然需要贵金属催化剂和/或高反应压力来充分活化CH3OH和H2O分子。因此，开发一种新的策略来使MSR在非贵金属催化剂的温和条件下高效生产H2具有重要意义。

基于此，日本国立物质材料研究所叶金花、宋辉和东南大学林惠文等提出了一个简单的光活化策略，利用TiO2与紫外光之间的强相互作用，调控Cu活性中心的动态组成和结构变化，有利于Cu/TiO2催化剂在低温MSR制氢反应中的表面催化行为。

具体而言，在黑暗条件下，通过TiO2激活CH3OH产生的*CH3O物种的积累诱导Cu氧化重构成Cu2O；一旦施加光，来自TiO2的紫外激发的电子可以将氧化态Cu2O还原成金属Cu，从而促进吸附质的解离。

此外，由于金属Cu的等离子体性质，可以利用可见光产生热载流子，这些热载流子可以与TiO2中的电荷载流子协同作用，进一步促进表面反应。这样的协同光活化过程以及由此产生的结构优化，共同促进了动态光催化的性能。

性能测试结果显示，考虑到低强度的太阳辐照，优化的Cu/TiO2在低光子通量(512.0 mW cm-2，300-800 nm)和170 °C下显示出1724.1 μmol g-1 min-1的H2产生率，优于大多数传统的光催化和热催化过程。

同时，反应产物中仅观察到有微量的CO副产物，表明Cu/TiO2对MSR具有优异的选择性。

总的来说，该项工作利用光-物质-反应物强相互作用的优点，实现了对Cu催化剂活性中心的原位调控，进而为构建高效稳定的反应中心提供了新方案。

Light-Induced Dynamic Restructuring of Cu Active Sites on TiO2 for Low-Temperature H2 Production from Methanol and Water. Journal of the American Chemical Society, 2023.