近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員劉洪陽與特別研究助理黃飛，聯(lián)合北京大學教授馬丁、香港科技大學教授王寧、中科院山西煤化所研究員溫曉東等，精準調(diào)控亞納米尺度原子級分散金屬Cu配位環(huán)境，系統(tǒng)探究了原子級分散金屬Cu催化劑配位結(jié)構(gòu)對乙炔選擇性加氫性能的影響。相關研究成果在線發(fā)表在ACS Catalysis上。
乙炔選擇性加氫是工業(yè)純化乙烯原料氣用于生產(chǎn)高分子聚合物過程中的重要催化反應之一。如何低溫高效、選擇性將乙炔加氫到乙烯，而避免乙烯進一步氫化到乙烷，是這一催化反應急需解決的主要問題。科研團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，富缺陷納米石墨烯穩(wěn)定的原子級分散Pd催化劑，在乙炔半加氫反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和選擇性（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 13142）。研究通過對金屬Cu在富缺陷石墨烯載體上進行原子級分散構(gòu)建，實現(xiàn)了非貴金屬Cu催化乙炔高效選擇性加氫（Nature Commun., 2019, 10, 4431）。目前，原子級分散金屬催化劑（ADMCs）在眾多催化反應體系中具有最高的原子利用率和催化性能。因此，構(gòu)建ADMCs的精細結(jié)構(gòu)與配位環(huán)境，并考察其催化性能，可為研究亞納米尺度ADMCs結(jié)構(gòu)-性能關系提供有價值的信息。該研究將亞納米尺度原子級分散Cu1錨定在富缺陷納米石墨烯載體上（Cu1/ND@G）和氮摻雜富缺陷石墨烯載體（Cu1/ND@NG）上（圖1）。研究通過改變配位結(jié)構(gòu)（Cu-C或Cu-N），調(diào)控亞納米尺度原子級分散Cu的電子態(tài)（圖2）。密度泛函理論（DFT）和H2-D2交換實驗（圖3）進一步證明，Cu-C結(jié)構(gòu)有利于H2吸附解離以及目標產(chǎn)物的脫附，保證了催化劑優(yōu)異的活性和選擇性。該工作的開展，有助于將ADMCs與加氫活性-配位結(jié)構(gòu)關聯(lián)起來，進而指導開發(fā)新型的非貴金屬加氫反應催化劑。
研究工作得到科技部、國家自然科學基金、遼寧省“興遼英才計劃”、沈陽材料科學國家研究中心青年人才項目、金屬所創(chuàng)基金培育項目、中國博士后科學基金面上項目與中國石化等的支持，并獲得上海同步輻射光源的支持。
圖1.原子級分散Cu催化劑不同配位環(huán)境（Cu-C、Cu-N）的XAFS表征結(jié)果
圖2.原子級分散Cu催化劑不同配位環(huán)境（Cu-C、Cu-N）的電子結(jié)構(gòu)表征結(jié)果
圖3.原子級分散Cu催化劑不同配位環(huán)境（Cu-C、Cu-N）活化氫氣的DFT與H2-D2交換實驗結(jié)果
圖4.原子級分散Cu催化劑不同配位環(huán)境Cu-C、Cu-N配位結(jié)構(gòu)與催化加氫性能關聯(lián)示意圖
（來源：金屬研究所 ）