亚纳米尺度磁可分金属Pd加氢催化剂研究获进展

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员刘洪阳和硕士研究生赵琳敏等，与北京大学教授马丁、香港科技大学教授王宁、南京理工大学教授陆瑞锋等合作，通过精准构筑亚纳米尺度、原子级分散磁可分金属Pd催化剂，实现其对苯乙炔高效选择性加氢制取苯乙烯。相关研究成果在线发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。

苯乙烯作为重要的化工中间体，应用于农业、医药、纺织、橡胶等领域。苯乙烯的工业制备方法有乙苯脱氢、裂解石油抽提、环氧丙烷–苯乙烯联产法等，其中从裂解石油中抽提出苯乙烯是重要的生产过程之一。目前，该工艺面临的主要问题是抽提出的苯乙烯中含有少量的杂质苯乙炔，苯乙炔会导致下一步苯乙烯聚合反应的催化剂发生严重中毒。因此，需采用苯乙炔选择性加氢的方法将苯乙烯中的苯乙炔高效去除。由于反应环境在富含苯乙烯的液相体系中，如何在保持催化剂高活性的同时实现催化剂的高选择性以及催化剂的有效分离是该反应的关键。

近年来，刘洪阳团队致力于亚纳米尺度金属催化材料的可控设计与应用研究。在前期研究工作基础上，科研团队在少层石墨烯包覆镍纳米颗粒（Ni@G）上精准构建单原子催化剂（Pd₁/Ni@G）和团簇催化剂（Pd_n/Ni@G），利用球差电镜和CO吸附红外光谱对其进行系统表征。结果表明，Pd₁/Ni@G上Pd物种以绝大多数单原子形式存在（图1）；Pd_n/Ni@G上Pd物种以团簇形式存在。研究系统比较Pd₁/Ni@G和Pd_n/Ni@G催化苯乙炔选择性加氢的活性和选择性后发现，单原子催化剂Pd₁/Ni@G具有优异的加氢活性、选择性、循环稳定性以及磁可分的特性（图2）。研究结合原位红外光谱实验、吸附能计算、对比实验和显色反应等（图3）推断，该催化反应过程为氢气在Pd单原子上活化，苯乙炔在Ni@G上吸附活化，活化的氢原子溢流至载体表面与吸附在Ni@G表面的苯乙炔发生加氢反应。这种磁可分载体与亚纳米尺度、原子级分散金属催化剂的有机耦合，为开发高效液相选择性加氢催化剂提供了新的设计思路。

研究工作得到科技部、国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”、中科院、金属所创新基金项目、中国博士后科学基金面上项目、中国石化及上海同步辐射光源等的支持。

论文链接

图1.（a-b）Pd₁/Ni@G的球差电镜表征，（c）能谱(EDX)元素分布面扫图

图2.（a-c）Pd₁/Ni@G在苯乙炔选择性加氢反应中的催化性能，（d）催化剂磁可分示意图

图3.（a-b）Ni@G、Pd₁/Ni@G的红外光谱，（c）Pd₁/Ni@G对苯乙炔半加氢和苯乙烯加氢的动力学测试，（d）苯乙炔在石墨烯（GP）和石墨烯包覆镍（Ni@GP）上吸附能计算

图4.磁可分单原子催化剂Pd₁/Ni@G苯乙炔选择性加氢示意图