孙剑发现可替代贵金属的加氢催化剂

jintou

近日，中科院大连化物所孙剑研究团队发现了一种可替代贵金属金或银的铜催化剂，在催化加氢反应中表现出与传统铜催化剂完全不同，而与金或银接近的性能。相关研究成果发表于12月22日出版的《科学-进展》上。

原子的外围电子结构常常会决定金属的化学性质，金、银等贵金属电子结构稳定，因此一般条件下不易与其他化学物质发生化学反应，表现出较高的催化活性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性，成为最重要的催化剂材料。由于其价格昂贵，限制了实际的应用。与金、银相比，同族的非贵金属铜更易获得且价格便宜，但是铜金属也更容易失去外围电子，在催化反应中更易被氧化——金属铜在氧化或加氢等催化反应中常表现出铜零价和一价共存的化学态，因此铜催化剂化学性质并不稳定。

为提高铜催化剂的稳定性，研究团队通过“高能等离子体流轰击”的方法，改变铜的外围电子结构，使铜表现出贵金属金和银的特性，在催化反应中保持0价态，进而可以替代金、银催化剂。

研究人员以草酸二甲酯催化加氢的多步串联过程为探针反应，研究发现由高能轰击产生的铜纳米颗粒在反应过程中可被锁定在金属态，在相当宽的反应温度范围内(230-290oC)，酯加氢反应都被稳定在了热力学不利但附加值却极高的初步加氢产物乙醇酸甲酯，其选择性最高达87%，这与贵金属金或银的催化性能极其类似。该结果也颠覆了铜催化剂利于发生深度加氢反应而生成乙二醇和乙醇等醇类化合物的传统认知。

DFT理论计算同时表明，在只有零价金属铜活性位存在的条件下，酯加氢可被控制在生成初加氢产物的阶段，而避免像传统铜催化剂一样过度加氢。本项研究工作为调节金属加氢能力，设计贵金属替代的催化剂提供了全新的策略。

doi: 10.1126/sciadv.aau3275