我国学者在加氢催化剂精准设计方面取得进展

　　

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22025205、21673215、91945302、22072092、92045301）等资助下，中国科学技术大学路军岭教授团队与李微雪教授等团队合作，精准设计出单原子壳层的Au@Pt/SiO₂双金属催化剂，从而打破了Pt催化剂活性—选择性的“跷跷板”困境，在温和条件下实现了高活性、高化学选择性加氢。研究成果以“单原子壳层双金属催化剂打破尺寸调控加氢活性和选择性的两难困境（Bimetallic monolayer catalyst breaks the activity–selectivity trade-off on metal particle size for efficient chemoselective hydrogenations）”为题，于2021年10月18日在线发表在《自然×催化》（Nature Catalysis）上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00679-x。

　　负载型金属纳米催化剂是一类重要的催化剂，广泛应用于石油化工、煤化工、精细化工、环境等领域。取得高选择性是实现精准催化的关键，然而在大多数情况下，高选择性往往通过牺牲催化活性来实现。其中，对于化学选择性加氢反应，由于多种官能团可一同参与反应，同时实现高活性和高选择性更具挑战。

　　针对上述难题，该课题组首先利用原子层沉积（ALD）技术精准制备的特点，制备了具有不同Pt颗粒尺寸的Pt/SiO₂催化剂，发现该系列催化剂在卤代硝基苯选择性加氢反应中的活性和选择性随Pt颗粒尺寸呈"跷跷板"关系。通过理论计算，对比研究了Pt(111)、Pt(211)、Pt₅₅和Pt₁₄₇模型表面的吸附和催化加氢特性，揭示了几何效应和电子效应在对氯硝基苯加氢反应的各自贡献以及随尺寸演化规律。理论研究结果进一步表明，基于晶格拉伸以及配体效应带来Pt 5d带中心的上移，可以提升加氢活性，而且平台面的维持可以保持高选择性。在此研究基础上，该课题组再次利用ALD技术精准构筑出不同壳层厚度的Au@Pt/SiO₂核壳型双金属催化剂。多尺度结构表征表明，Au@Pt/SiO₂双金属催化剂展现出明显区别于Pt单金属催化剂的电子特征，且Pt壳层面内出现晶格膨胀，在温和条件下同时实现高活性和高化学选择性加氢，成功打破了Pt催化剂活性—选择性的“跷跷板”困境（图1）。

　　单壳层的双金属核壳催化剂中独特的几何结构和电子结构的性质，为未来设计维持高贵金属利用率、高化学选择性和高活性的催化剂提供了一种有效策略。

 

图1 Pt单金属、AuPt合金、Au@Pt核壳结构催化剂的氯代硝基苯催化性能对比，以及单原子壳层双金属催化剂的模型示意图