应用人工光合作用技术，阐明铂微粒分解甲酸并选择性生成氢气的催化机制

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摘   要：本研究在世界上首次发现，分散在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中的铂微粒（Pt-PVP）可以作为分解甲酸并生成氢气的催化剂，阐明了其基于甲酸分解的氢气生成机制。

关键字：人工光合作用技术、铂微粒、甲酸、氢气、HCOOH、聚乙烯吡咯烷酮

应用人工光合作用技术，阐明铂微粒分解甲酸并选择性生成氢气的催化机制

要点

▶作为能够储存氢气的介质分子，可通过二氧化碳制得的甲酸（HCOOH）备受瞩目。

▶明确了此前尚未阐明的基于甲酸分解的氢气生成机制。

概要

大阪市立大学人工光合作用研究中心的天尾丰教授和研究生院理学研究科物质分子系专业的南佑辅研究生（博士前期课程2年级）阐明了分散在高分子化合物聚乙烯吡咯烷酮中的铂微粒作为催化剂分解甲酸并生成氢气的催化机制。

工业革命以来，化石燃料一直被用作能源来源，但因为其储量有限，而且使用后会排放出大量的CO₂，被认为是导致全球变暖的主要原因。作为解决该问题的手段之一，近年来氢（H₂）作为清洁可持续的能源受到关注。

为了安全、高效地输送和保管氢气，一般考虑使用液化氢和氨作为能源载体（运输介质），而本研究则着眼于可从二氧化碳中制得的甲酸（HCOOH）。本研究在世界上首次发现，分散在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中的铂微粒（Pt-PVP）可以作为分解甲酸并生成氢气的催化剂。

本研究成果刊登在Royal Society of Chemistry（RSC）发行的《Sustainable Energy&Fuls》杂志上。

研究生南佑辅

在理解反应机制时，根据对实验结果的解释不同会得出完全不同的结论，因此在使用各种试剂和设备仔细收集数据的同时，我们仔细考察反应机制，以使实验数据彼此不发生冲突。我认为本研究非常有意义，其阐明了由甲酸生成氢气的机制，并明确所用催化剂需要改进之处。

天尾丰教授

通常，使用铂微粒分解甲酸会生成水和二氧化碳或一氧化碳，而我们发现，若使用分散在聚乙烯吡咯烷酮的铂微粒，不知为何会将甲酸分解成氢气和二氧化碳。这次我们阐明了催化剂的详细催化机制。今后将向开发具有更高活性的催化剂发起挑战。

【刊登月份】2020年4月

【发表杂志】

Sustainable Energy&Fuls（Royal Society of Chemistry发行）

【题目】

Catalytic mechanism for selective hydrogen production based on formate decomposion with polyvinylpyrrolidone dispersed platinum nanoparticles

【作者】

Yusuke Minami，Yutaka Amao

【刊登URL】

https://doi.org/10.1039/D0SE00363H

研究背景、内容

氢能源社会是指使用氢作为能源（媒介）的社会系统，其与石油和煤炭等化石燃料不同，在使用（燃烧）过程中不会产生二氧化碳。但是，氢气是地球上最轻的气体，能量密度低，因此，例如在用于燃料电池汽车时，需要将氢气压缩并在极高的压力（几百个大气压）下储存。另外，为了便于氢气的安全运输和储存，将氢暂时转换成别的分子，储存在氢能储存介质分子（能量载体之一）的方式受到关注。关于氢能量储存介质分子，本研究团队关注利用人造光合作用技术从二氧化碳中制得的甲酸（HCOOH）。

本研究发现，分散在高分子化合物聚吡咯烷酮（PVP）中的粒径为2nm的铂微粒（以下称为Pt-PVP）可作为有效分解甲酸生成氢气的催化剂，并阐明了Pt-PVP分解甲酸生成氢气的机制。具体来说，如下图所示，从甲酸派生出的甲酸离子（HCOO^-）与铂微粒结合后分解，首先产生二氧化碳，接着生成氢气。

展望

该铂微粒催化剂作为氢生成催化剂材料，同时被用于人工光合作用研究中心氢能源技术开发部门和饭田集团控股有限公司正在共同开发的、通过人工光合作用技术实现“IG完美生态住宅”项目（特开2018-18876 甲酸分解方法及甲酸分解装置）。本研究中阐明了Pt-PVP分解甲酸生成氢气的催化机制。将来，计划基于该催化机制，开发具有更高氢气生成效率的催化剂。

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翻译：东雨琦

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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