Pd1-Cu1双金属原子协同催化乙炔加氢制乙烯研究获进展

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心、中科院山西煤炭化学研究所、北京大学和香港科技大学合作通过精准设计原子级分散金属催化材料的结构，成功构建具有键合的Pd1-Cu1双金属原子(Pd1Cu1/ND@G)。该催化剂在较低温度下可实现乙炔分子完全转化，表现出优异的乙烯选择性。相关研究成果发表于《美国化学会志》。

乙炔选择性加氢是乙烯工业中去除乙炔杂质，获得高品质乙烯产品的关键工艺。开发活性高、选择性好且绿色经济的乙炔加氢催化剂，是该领域研究热点。

该研究团队针对当前负载型Pd基乙炔加氢工业催化剂存在选择性低、稳定性差且价格高昂等问题，发现在乙炔半加氢反应中，与金属纳米颗粒相比，原子级分散金属催化材料具有更优异的乙烯选择性，但其通常在较高的温度下运行。在保持高活性的同时实现低温加氢性能是该领域的挑战。在多相催化中，负载型金属催化材料的活性位点通常会受到周围化学环境的影响，对催化性能起促进或抑制作用。特别是亚纳米尺度(原子级分散)金属催化材料的金属活性中心原子周围的配位(近邻)原子通常直接参与或影响催化反应的过程。为提高原子级分散金属催化材料的本征加氢活性，提出了将金属原子Pd与相邻金属原子Cu配位作为调控其配位环境的策略。

Pd1-Cu1双原子构型将反应中H2和乙炔间的竞争吸附转化为非竞争吸附，在促进乙炔吸附的同时，加速氢气吸附和解离。通过高角度环形暗场扫描透射电镜和X射线吸收精细结构对Pd1-Cu1和Pd1、Cu1进行表征，证明了Pd1-Cu1原子对的存在，同时Pd1-Cu1催化材料中表现出表面电子向Pd物种的偏移。电荷密度差和Bader电荷分析结果表明，Pd-Cu原子间存在精密的电子耦合。这种耦合作用为H2和乙炔的活化提供新的活性位点。乙烯程序升温脱附及程序升温表面反应机理研究结果表明，Pd1-Cu1具有更高的吸附乙炔能力和加氢性能，在110 ℃时，乙炔转化率为100%，乙烯选择性为92%。与单原子钯或铜催化剂相比，在较低温度下Pd1-Cu1反应活性提高。

该研究可为进一步设计低温高效的乙炔加氢催化剂提供理论基础。

[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]