段学志、曹约强：乙炔选择性加氢催化剂设计最新进展

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乙烯工业是石油化工产业的核心，乙炔选择性加氢是石脑油裂解制备聚合级乙烯的关键技术之一。近日，我校化工学院、化学工程联合国家重点实验室催化反应工程团队段学志教授、曹约强博士等在乙炔选择性加氢Pd催化剂次表面结构调控和Ni催化剂活性位点设计方面取得了重要的研究进展。相关成果分别以"Structural and kinetics understanding of support effects in Pd-catalyzed semi-hydrogenation of acetylene"和"Adsorption site regulation to guide atomic design of Ni-Ga catalysts for acetylene semi-hydrogenation"为题在线发表在中国工程院院刊《工程》（Engineering DOI: 10.1016/j.eng.2020.06.023）和《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 11647）上。

       针对这一反应，研究人员从金属催化剂次表面结构调控入手，采用XAS、原位XRD、程序升温技术和DFT计算相结合的研究方法，发现了以纳米炭材料为载体制备的Pd催化剂次表面存在C原子。该次表面C原子能显著抑制Pd催化剂次表面氢物种的生成、促进目标产物乙烯的脱附，显著提高乙烯选择性。通过向炭载体中引入石墨氮物种，能进一步调变Pd活性位点电子结构，将乙烯选择性进一步提高约30%（AIChE J. 2020, 66, e16857）。此外，催化剂次表面结构调控策略也被应用于不饱和醛选择性加氢催化剂设计及调控，即通过在Cu催化剂次表面引入Pt物种，创制了高活性和高选择性CuPtx单原子合金加氢催化剂，该催化剂次表面Pt物种促进H2活化，且肉桂醛分子仍以C=O基团在Cu表面吸附活化（ACS Catal. 2019, 9, 9150; ACS Catal. 2020, 10, 3431）。

       另一方面，研究人员从金属催化剂活性位点设计入手，创新提出通过构筑结构稳定、长程有序Ni-Ga金属间化合物实现Ni活性位点原子级精准调控策略。理论计算结果表明：相比于Ni和Ni5Ga3催化剂，NiGa催化剂中Ni活性位点被Ga完全隔离，使得乙炔和乙烯分子以π键模式择优吸附，表现出显著提高的乙烯选择性。基于层状双金属氢氧化物（LDHs）层板阳离子的可调性，实现了粒径相似Ni、Ni5Ga3和NiGa纳米催化剂的可控制备，并结合球差电子显微镜和XAS等表征技术，发现NiGa金属间化合物催化剂中Ni活性位点处于完全孤立的状态，且乙炔和乙烯分子通过π键构型吸附。性能考评结果表明，Ni位点完全隔离的NiGa催化剂乙烯选择性显著高于对比催化剂，证实了理论预测的结果。
       上述研究工作获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目、青年项目、上海教委科研创新计划自然科学重大项目等的支持，以及催化反应工程团队负责人周兴贵教授、清华大学李亚栋院士和王定胜教授、加州大学河滨分校Francisco Zaera教授、上海光源姜政研究员和司锐研究员等的悉心指导。


       原文链接：
       https://www.sciencedirect.com/sc ... 20303593?via%3Dihub
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.202004966


      文章来源：华东理工大学
      


段学志，华东理工大学特聘教授，博导，青年科技启明星。面向能源、资源与环境需求，以催化反应动力学分析为主要研究手段，结合实验研究与理论计算，重点开展催化剂理性设计、反应工艺和反应器优化设计等方面的研究工作。近年来负责国家自然科学基金、教育部、国际合作项目、市科委/教委、中石化等项目16项。发表SCI论文70余篇，包括化工三大期刊15篇，授权国家发明专利13项。