近日廈門大學秦瑞軒團隊發表于JACS的研究論文Achieving Distributed and Flexible Hydrogenation of Aromatics with Crude Hydrogen from Electrolyzers，對利用電解槽粗氫實現芳烴分布式、柔性加氫及綠氫儲存進行了深入研究。歐世盛為該研究提供了EMC-3系列全自動催化劑評價裝置，用于連續流條件下芳烴加氫催化劑的長時間穩定性評價。

科研利器：歐世盛全自動催化劑評價裝置特點

快速平衡：微通道氣液混合器，在微升體積下完成氣液充分混合，2 秒內建立系統壓力。

液位精測：容差式液位傳感器自動檢測液面，液位檢測精度可達±0.1 mL。

穩壓控液：壓力控制精度 0.1 MPa，穩流閥可按液面高度自動調節開度，實現液體產物連續穩定流出。

即時取樣：產物定時/定體積取樣，內置光學探頭屏蔽氣泡干擾。

通量擴展：可根據實驗需求擴展通量，通量最高可達16位。

歐世盛全自動雙通道催化劑評價裝置

“綠氫進化工"的瓶頸在加氫環節

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綠氫規模化利用的主要難點不在制取，而在儲存。將氫儲存于液態有機儲氫載體(LOHC)是目前較為現實的路徑之一，但實現儲氫的芳烴加氫步驟，長期需在100 ℃以上、數 MPa 純氫的條件下進行，與電解槽產出的含水、低壓、隨天氣波動的粗氫難以直接耦合。其困難主要有三：其一，芳環化學性質穩定，加氫需克服較高的能壘；其二，芳烴與H? 在同一表面位點上競爭吸附——位點對芳烴吸附過強則底物難以脫附，過弱則 H?難以解離活化，故需對二者的共吸附能進行精確調控；其三，波動的氫流會使按穩態工況設計的催化劑發生不可逆的表面重構與失活，而儲氫場景恰恰要求催化劑在氫源間歇供應的條件下長期穩定運行。

破局：Pt 集合體工程及其實驗性能

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面對上述困難，廈大團隊未沿用“增加貴金屬用量"或“更換載體"的常規策略，而是將調控對象聚焦于活性位點的幾何尺度，提出Pt集工程（ensemble engineering)在 Au 表面構筑尺寸精確可控的 Pt 集合體，通過調控集合體所含原子數目來調節芳環與氫的共吸附能。團隊合成了一系列 Pt?Au????（x = 0,1,3,5,7,10）雙金屬膠體納米顆粒（約6–7nm），負載于 TiO?，用于苯甲酸在溫和條件下的加氫評價。

實驗結果表明，催化劑性能實現了數量級層面的提升：在 60 ℃、1 bar H?下，Pt?Au?/TiO? 的 TOF 達5250 h?1，較此前在大氣壓 H? 下報道的各類催化劑高出一個數量級以上，亦高于 10–50 bar、更高溫度下的理想值；活性隨 Pt 含量呈火山型變化，實驗活性序列為 Pt?Au?> Pt?Au?>Pt?Au?>Pt。綜合質量比活性與貴金屬用量，團隊選定 Pt?Au? 用于后續機理與放大研究。該催化劑的底物適用范圍亦較廣：各類芳香羧酸、酚、醚、酯、對苯二甲酸二甲酯（對應 CHDM、CHDA 聚合物單體）、氟苯、LOHC 底物、含氮雜環及芳香酰胺均可高效加氫；論文同時明確了其局限——萘、乙基咔唑、苯胺、對苯二胺及含硫芳烴在溫和條件下未發生明顯加氫。循環性能方面，純氫條件下三次循環后苯甲酸轉化率由 98% 降至 25%；經400℃ 空氣處理后，催化劑在隨后五次循環中保持活性與選擇性穩定。

圖1｜(a) Pt?Au? 納米顆粒的代表性 HAADF-STEM 圖；(b–e) Pt?Au? 的 STEM-EDX 元素分布；(f) 不同 Pt?Au????/TiO? 催化劑的 TOF；(g) Pt?Au?/TiO? 與已報道催化劑的 TOF 對比，氣泡大小代表 TOF 數值。

機理與驗證：底物錨定穩定化

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DFT 計算揭示了集合體尺寸的決定性作用：僅當表面存在 4 個連續 Pt 位點時，苯甲酸才產生顯著吸附；當集合體恰好由 5 個 Pt 原子構成時，苯甲酸占據其中 4 個位點，其余 1 個位點可用于 H? 的共吸附與活化，使加氫勢壘由 1.94 eV（Pt?Au，Eley–Rideal 路徑）降至 0.80 / 0.85 eV，甚至低于 Pt(111) 表面的相應值。集合體尺寸與有效勢壘之間呈典型的火山型關系，表明過大或過小的 Pt 集合體均不利于芳環與氫的協同活化。

圖2｜(a) 在 Au(111) 面上構筑不同尺寸 Pt 集合體的俯視模型；(b) 苯甲酸逐步加氫的能量剖面；(c) 有效反應勢壘與苯甲酸／H? 共吸附能之間的火山型關系。

在此基礎上，團隊進一步發現：芳烴底物對催化劑活性位點的表面結構具有穩定作用。從頭算分子動力學(AIMD)模擬顯示，當甲苯吸附于 Pt 位點時，平均 Pt–Au 配位數穩定在約 5.17，Pt 原子保留于表面；而在無甲苯條件下，Pt 原子傾向于向體相遷移，配位數升至 6.02。原位 X 射線吸收譜（XAS）給出了相應佐證：純 H? 氣氛下，Pt–(Pt/Au) 鍵長由 2.741 ? 增至 2.752 ?，指向氫誘導的表面重構；在甲苯/H? 共存時則回落至 2.736 ?，接近初始狀態。團隊將這一機制命名為“底物錨定穩定化（substrate-anchored stabilization）"。

然而，模擬只能覆蓋皮秒尺度，難以重現工作態催化劑的長時間演化。論文明確指出：模擬用于識別主導結構趨勢，而“工作態催化劑的長時間演化，由下文所述的連續流實驗提供其工程對應"。

承擔這一驗證的裝置為歐世盛 EMC-3 系列全自動催化劑評價裝置。

圖3 | 論文原文相關內容

實驗形成了一組清晰的對照：

芳烴底物富集（芳烴相對氫氣占比高）的連續流工況下，Pt?Au?催化劑可維持近 40 小時穩定運行；而在富氫且芳烴底物匱乏的條件下，催化劑會發生氫誘導 Pt 原子遷移，活性快速衰減。

這一正反對照將“底物錨定"的模擬結論從皮秒尺度延伸至數十小時的工程時間尺度；而支撐這一延伸的，正是可編程、可復現、可長時程穩定運行的流動條件。作者亦明確界定了其邊界：該機制屬于“底物對既有 Pt 集合體的防護"而非“自愈合"——氫誘導的遷移一旦發生，僅重新通入高濃度芳烴并不能恢復活性，須經 400 ℃ 空氣氧化處理方可重建活性表面 Pt 集合體分布。

圖4｜(d) 分子動力學模擬中的表面 Pt 集合體結構快照；(e) 平均 Pt–Au配位數隨模擬時間的演化

放大演示：光伏—電解—儲氫的 42 天

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在確立上述機理后，團隊將整套體系置于真實能源條件下運行：光伏發電 → PEM 電解水制氫 → 粗氫（含水約 4 vol%，不干燥、不提純）直接通入加氫反應器。體系連續運行 42 天，將 36 L 甲苯全部轉化為甲基環己烷，化學儲氫 >29,340 L，儲氫效率約 96.2%，累計 TON >79,000；與工業 LOHC 加氫通常所需的 >150 ℃、3–5 MPa 純氫相比，反應條件顯著溫和。論文同時明確了其局限：該工作屬技術可行性驗證而非商業化放大，粗氫的雜質耐受性與貴金屬用量（18 g 催化劑的 Pt/Au 庫存價值約 US$894）仍有待進一步優化。

圖5｜(a) 綠氫直接儲存與利用的流程示意 ;(b) 產氫與耗氫的實時曲線及按日統計的 TON；(c) 累計 TON、累計儲氫體積與 H? 吸收容量；(d–g) 光伏板陣列、一體化系統設備、水電解槽與加氫反應器、產物甲基環己烷。

結語：綜上，廈門大學秦瑞軒團隊借助 Pt 集合體工程，揭示底物錨定穩定化機制，實現溫和條件下芳烴高效加氫，完成光伏電解粗氫直接儲氫的原型系統驗證，為間歇綠氫的化工應用提供新思路。

同時研究也指出，貴金屬成本、工業雜質耐受仍是后續需要攻克的難題。本工作中的長周期連續流對照實驗依托歐世盛全自動催化劑評價裝置完成，為解析實際工況下催化劑動態演化提供了實驗支撐。期待更多貼近工業實際的催化評價手段，推動綠氫化學的技術落地。