動態(tài)光譜技術為工業(yè)催化劑活性位點識別和反應機理解析提供了實時、精準的動態(tài)觀測手段。近日，華東理工大學化工學院、綠色化工與工業(yè)催化國家重點實驗室朱明輝教授通過創(chuàng)新性的動態(tài)光譜技術，首次實現(xiàn)了對甲醇水蒸氣重整（methanol steam reforming, MSR）反應網(wǎng)絡的實時解析，明確了Cu-Zn界面的雙功能催化機制，為理性設計高性能制氫催化劑提供了理論基礎。所發(fā)展的同位素調(diào)制激發(fā)結合相敏檢測的漫反射紅外傅立葉變換光譜技術（ME-PSD-DRIFTS）為多相催化反應機理研究開辟了新途徑。相關成果發(fā)表于《美國化學會志》。

氫能作為一種清潔高效的能源載體，在構建未來可持續(xù)能源體系中具有重要戰(zhàn)略地位。其中，甲醇水蒸氣重整（methanol steam reforming, MSR）因其反應條件溫和、氫氣產(chǎn)率高而成為最具應用前景的制氫技術之一。銅基催化劑憑借其優(yōu)異的活性和較低的CO選擇性在該反應中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有研究對MSR反應中活性位點的本質(zhì)認識仍存在爭議，對反應機制的闡釋也多基于靜態(tài)條件下的實驗結果，這嚴重制約了高性能催化劑的理性設計。

為突破這一瓶頸，本研究創(chuàng)新性地采用ME-PSD-DRIFTS方法首次實現(xiàn)了對Cu-Zn催化劑表面反應動力學的原位動態(tài)解析。研究采用自主研發(fā)的低死體積原位漫反射池系統(tǒng)，其優(yōu)化的原位池腔內(nèi)結構具有極低的氣體平均停留時間，且獨特設計的雙ZnSe凸透鏡漫反射光學附件系統(tǒng)可最大限度提升信號強度。通過周期性切換同位素原料（H/D、12C/13C）的調(diào)制激發(fā)方式，結合相敏檢測技術，成功構建了“動態(tài)信號提取”的研究范式。這種方法能夠有效區(qū)分活性中間體與旁觀物種，為揭示MSR反應的真實機制提供了關鍵技術支撐。

實驗結果表明，Cu-Zn界面協(xié)同作用在催化過程中起著決定性作用：甲醇在Cu位點上優(yōu)先吸附解離形成甲氧基（CH?O*），而ZnO主要負責水分子的吸附。關鍵中間體甲酸鹽（HCOO*）的形成被證實是通過甲氧基與表面羥基的相互作用實現(xiàn)的，且其C-H鍵中的氫原子來源于甲醇分子而非水分子。相敏檢測技術進一步揭示甲氧基脫氫步驟是該反應的速率控制步驟。程序升溫表面反應實驗排除了CO路徑的可能性，證實甲酸鹽直接分解為CO?和H?的路徑主導整個反應過程。此外，通過碳同位素示蹤實驗明確了表面碳酸鹽物種的旁觀者角色。這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對MSR反應機理的理解，更為設計高效銅基制氫催化劑提供了重要的理論依據(jù)。