Pd1-Cu1雙金屬原子協同催化乙炔加氫制乙烯研究獲進展

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

乙炔選擇性加氫是乙烯工業中去除乙炔雜質，獲得高品質乙烯產品的關鍵工藝。開發活性高、選擇性好且綠色經濟的乙炔加氫催化劑，是該領域研究熱點。

該研究團隊針對當前負載型Pd基乙炔加氫工業催化劑存在選擇性低、穩定性差且價格高昂等問題，發現在乙炔半加氫反應中，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低溫加氫性能是該領域的挑戰。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環境的影響，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配位作為調控其配位環境的策略。

Pd1-Cu1雙原子構型將反應中H2和乙炔間的競爭吸附轉化為非競爭吸附，在促進乙炔吸附的同時，加速氫氣吸附和解離。通過高角度環形暗場掃描透射電鏡和X射線吸收精細結構對Pd1-Cu1和Pd1、Cu1進行表征，證明了Pd1-Cu1原子對的存在，同時Pd1-Cu1催化材料中表現出表面電子向Pd物種的偏移。電荷密度差和Bader電荷分析結果表明，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機理研究結果表明，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反應活性提高。

該研究可為進一步設計低溫高效的乙炔加氫催化劑提供理論基礎。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]