Pd1-Cu1雙金屬原子協(xié)同催化乙炔加氫制乙烯研究獲進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)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(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)原子級(jí)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(shí)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(guó)化學(xué)會(huì)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(kāi)發(fā)活性高、選擇性好且綠色經(jīng)濟(jì)的乙炔加氫催化劑，是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)當(dāng)前負(fù)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(jià)格高昂等問(wèn)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(jí)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(yùn)行。在保持高活性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫加氫性能是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。在多相催化中，負(fù)載型金屬催化材料的活性位點(diǎn)通常會(huì)受到周?chē)瘜W(xué)環(huán)境的影響，對(duì)催化性能起促進(jìn)或抑制作用。特別是亞納米尺度(原子級(jí)分散)金屬催化材料的金屬活性中心原子周?chē)呐湮?近鄰)原子通常直接參與或影響催化反應(yīng)的過(guò)程。為提高原子級(jí)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(jìng)爭(zhēng)吸附轉(zhuǎn)化為非競(jìng)爭(zhēng)吸附，在促進(jìn)乙炔吸附的同時(shí)，加速氫氣吸附和解離。通過(guò)高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡和X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)Pd1-Cu1和Pd1、Cu1進(jìn)行表征，證明了Pd1-Cu1原子對(duì)的存在，同時(shí)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(diǎn)。乙烯程序升溫脫附及程序升溫表面反應(yīng)機(jī)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(shí)，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(jìn)一步設(shè)計(jì)低溫高效的乙炔加氫催化劑提供理論基礎(chǔ)。

[中國(guó)石化有機(jī)原料科技情報(bào)中心站供稿]