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    我国学者在高密度“动态三原子”团簇催化剂制备方面取得进展

    日期 2021-08-12   来源:化学科学部   作者:高飞雪 伊晓东  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:22025205、21673215、91645202、91845203、11621063和91945302)等资助下,中国科学技术大学路军岭、李微雪、韦世强等课题组密切合作,成功设计出一种高密度Ni1Cu2动态三原子新型非贵金属催化剂,并在富烯烃气氛中乙炔和1,3丁二烯选择性加氢方面取得重要进展。研究成果以“金属载体相互作用和原子限域协同促进动态加氢(Synergizing metal-support interactions and spatial confinement boosts dynamics of atomic nickel for hydrogenations”为题,于2021年7月26日在线发表于《自然×纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-021-00951-y。

      低碳烯烃是石油化工重要的化工原料。石脑油裂解制备的低碳烯烃通常含有微量的乙炔或1,3丁二烯分子,严重影响了其下游的应用,工业上通常采用Pd基贵金属催化剂选择性加氢去除这些微量杂质。开发出高效非贵金属催化剂,在高转化率下实现乙炔或1,3丁二烯分子的高选择性半加氢,且同时避免催化剂烧结和积碳是该反应过程的重要科学难题。

      研究团队采用原子层沉积(ALD)技术,通过协同金属-载体相互作用和空间限域,在g-C3N4载体上制备了高载量的Ni1Cu2三原子催化剂,在富乙烯氛围的乙炔(或1,3丁二烯)选择性加氢反应中表现出优异的活性、选择性和稳定性。原位同步辐射、原子分辨能量损失谱等多种谱学表征和理论计算表明,活性金属Ni原子通过羟基被限域在两个Cu原子位点中间形成Cu-OH-Ni-OH-Cu线式结构,Ni原子位点在加氢反应中可以发生动态结构变化:反应分子吸附时Ni原子与载体间的化学键断裂并被拉离表面,便于后续加氢生成单烯烃产物的形成;产物脱附后,Ni原子则重回载体表面并与载体成键(1)。金属-载体相互作用与原子限域的协同带来催化过程中的动态结构变化,不仅通过改进催化剂对反应分子的吸附提高了催化活性,而且单Ni位点还进一步提高了催化剂的选择性和抗积碳性能。

      该策略为未来设计高效、稳定且低成本的工业加氢催化剂提供了一新思路。

     

    图1  Ni1Cu2三原子的相貌、乙炔选择性加氢性能及反应中动态结构变化模型示意图