中國科學技術大學的丙烯與氧氣環氧化制環氧丙烷催化劑獲進展

近日，中國科學技術大學的研究團隊基于對Cu2O催化劑用于丙烯與O2環氧化活性中心的研究，成功開發出一種具有高活性由{100}面和{110}邊緣包裹的尺寸為27 nm的立方Cu2O納米晶體(Cu2O NCs)催化劑。該催化劑可高選擇性催化丙烯與O2環氧化制環氧丙烷(PO)反應。相關研究成果發表于《自然·通訊》雜志。

PO是合成多種化學品的基礎化合物。其中丙烯與氧氣環氧化制PO是一種最經濟、環保的方法。然而該反應由于缺乏高效、高選擇性的催化劑，面臨巨大挑戰。銅(Cu)基催化劑被廣泛研究，但其對PO選擇性較低。研究發現，對多相催化反應活性位點的基本認識是探究制備新型催化劑的一種有效途徑，但僅少數案例基于密度泛函理論(DFT)計算得以實現。

該研究團隊由Cu2O{110}面包圍的菱形十二面體納米晶體(NCs)確定了Cu2O{110}面作為丙烯與O2環氧化的活性面，但由于大型Cu2O NCs上的活性位點密度較低，通常需要高于150 ℃的反應溫度，雖然有利于燃燒反應但降低了PO選擇性。

該研究發現Cu2O NCs催化劑在反應溫度為90～110 ℃時，PO選擇性可高于80%。在{110}邊緣位置的O2吸附力弱，催化丙烯環氧化的勢壘較低，在低溫下是主要反應，從而提高了環氧丙烷選擇性。這種弱吸附的O2物種在高反應溫度下不穩定，表面晶格氧物種成為活性氧物種，在{110}邊緣位置參與丙烯環氧化生成環氧丙烷和丙烯部分氧化生成丙烯醛，在{100}面位點參與丙烯燃燒生成CO2，這些在高溫下表現出較大的勢壘，導致PO選擇性降低。

Cu2O{110}活性位點的PO生成反應機制由低溫弱吸附O2參與的Langmuir-Hinshelwood(LH)機理轉變為高溫表面晶格氧參與的Mars-van Krevelen(MvK)機理。

該研究對探索多相催化反應的高效催化劑具有重要意義。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]