北京大学分析测试中心X-射线光电子能谱仪搭配空气敏感样品转移器和催化反应室用于催化材料的准原位研究(图1)。随着催化科学的发展，对于催化反应中催化剂经过特殊气氛、温度和压力处理之后材料表面变化情况的XPS表征需求日益增加，但样品在转移和制备样品的过程中，往往会因暴露在大气环境下导致其表面化学状态发生变化而影响测试结果的真实性。准原位XPS表征方法解决了这一问题，为揭示催化反应过程中的真实构效关系提供了有力的支撑。
图1:北京大学分析测试中心X射线光电子能谱仪
马丁老师现任北京大学化学与分子工程学院教授，博士生导师，曾获得中国催化青年奖(2017)，中国化学会-巴斯夫青年知识创新奖(2019)，腾讯科学探索奖(2019)。2016年入选英国化学会会士，2017年获国家杰出青年基金，2018年当选教育部长江学者和中组部万人计划领军人才，2021年担任科技研发计划项目科学家，2022年入选中国化学会会士，同年当选首届新基石研究员。先后担任Catal.Sci.Technol.，Sci.Bull.,Chin.J.Chem.，ACSCatal.，NationalScienceOpen副主编，担任ACSCent.Sci.，J.Catal.，Joule等期刊编委。其团队在多相催化领域长期从事能源催化方面相关研究，聚焦碳氢资源转化新路径。团队主要研究成果包括:实现水分子中O-H键在催化剂界面的低温解离，开发了技术指标国际的低温水中取氢、制氢催化新体系;揭示铁基费托合成催化剂活性相，发展了合成气转化路径;突破传统途径，以废弃含碳物质废塑料、二氧化碳)为碳资源构建“碳-氢循环催化新体系。
研究团队网站
https://www.chem.pku.edu.cn/mading/index.htm
发展绿色、低碳的氢能源储存和利用方法在实现国家双碳”目标的时代背景下起到的推动作用。水作为常见和清洁的氢载体，其活化是实现氢气循环利用过程的核心，然而水分子热力学稳定性高，低温活化制氢过程仍面临巨大挑战。为此，马丁团队发展了碳化基催化剂，实现了水分子低温解离有效制氢过程。同时，团队还发展了液体有机储氢分子加脱氢体系，相关研究对未来氢能的大规模应用具有重要意义。本期岛津XPS用户成果分享主要介绍北京大学马丁教授团队近几年在有效催化制氢过程取得的系列进展以及XPS测试技术在其中的应用。
CO协同下的水活化新模式用于水中有效取氢
a-MoC负载催化剂在有效催化水煤气变换产氢方面表现出了优异的性能，但是在a-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被深度氧化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S1/kw并且催化剂重量低于011kg/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是迫切需要解决的科学问题。为此，马丁教授团队研制了高密度、高分散的原子级Pt物种和a-MoC组成的界面催化结构，在近室温至400°C的超宽温度区间实现有效水煤气变换(水和CO活化)制氢，突破了现有催化剂工作温度区间较高且窄的局限。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a-MoC表面解离的路径，发现了基于CO直接解离步骤的低温协同制氢新路径。同时，对催化剂反应前后的准原位XPS结果表明(图2)，高覆盖度Pt物种的存在增强了在a-MoC表面解离的水产生的活泼氧物种的快速反应和脱附，有效地防止a-MoC被深度氧化和催化剂失活，大幅度提升了催化剂的反应活性及长效稳定性。以贵金属铂的价格为S6,242进行经济衡载燃料电池发展规划所推算的催化活性限值。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。
图2准原位XPS测试a-MoC负载Pt催化剂在反应前后的变化
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