近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心、中科院山西煤炭化學(xué)研究所、北京大學(xué)和香港科技大學(xué)合作通過精準設(shè)計原子級分散金屬催化材料的結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建具有鍵合的Pd1-Cu1雙金屬原子(Pd1Cu1/ND@G)。該催化劑在較低溫度下可實現(xiàn)乙炔分子完全轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出優(yōu)異的乙烯選擇性。相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。

乙炔選擇性加氫是乙烯工業(yè)中去除乙炔雜質(zhì)，獲得高品質(zhì)乙烯產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝。開發(fā)活性高、選擇性好且綠色經(jīng)濟的乙炔加氫催化劑，是該領(lǐng)域研究熱點。

該研究團隊針對當前負載型Pd基乙炔加氫工業(yè)催化劑存在選擇性低、穩(wěn)定性差且價格高昂等問題，發(fā)現(xiàn)在乙炔半加氫反應(yīng)中，與金屬納米顆粒相比，原子級分散金屬催化材料具有更優(yōu)異的乙烯選擇性，但其通常在較高的溫度下運行。在保持高活性的同時實現(xiàn)低溫加氫性能是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。在多相催化中，負載型金屬催化材料的活性位點通常會受到周圍化學(xué)環(huán)境的影響，對催化性能起促進或抑制作用。特別是亞納米尺度(原子級分散)金屬催化材料的金屬活性中心原子周圍的配位(近鄰)原子通常直接參與或影響催化反應(yīng)的過程。為提高原子級分散金屬催化材料的本征加氫活性，提出了將金屬原子Pd與相鄰金屬原子Cu配位作為調(diào)控其配位環(huán)境的策略。

Pd1-Cu1雙原子構(gòu)型將反應(yīng)中H2和乙炔間的競爭吸附轉(zhuǎn)化為非競爭吸附，在促進乙炔吸附的同時，加速氫氣吸附和解離。通過高角度環(huán)形暗場掃描透射電鏡和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)對Pd1-Cu1和Pd1、Cu1進行表征，證明了Pd1-Cu1原子對的存在，同時Pd1-Cu1催化材料中表現(xiàn)出表面電子向Pd物種的偏移。電荷密度差和Bader電荷分析結(jié)果表明，Pd-Cu原子間存在精密的電子耦合。這種耦合作用為H2和乙炔的活化提供新的活性位點。乙烯程序升溫脫附及程序升溫表面反應(yīng)機理研究結(jié)果表明，Pd1-Cu1具有更高的吸附乙炔能力和加氫性能，在110 ℃時，乙炔轉(zhuǎn)化率為100%，乙烯選擇性為92%。與單原子鈀或銅催化劑相比，在較低溫度下Pd1-Cu1反應(yīng)活性提高。

該研究可為進一步設(shè)計低溫高效的乙炔加氫催化劑提供理論基礎(chǔ)。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]