精准构筑 Pt-Fe-Pt 活性位点协同环境,解锁巴豆醛选择性加氢新突破

【字体: 时间:2025年02月19日 来源:Chem 19.1

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  为解决贵金属原子单分散时因电子结构改变导致活性和选择性受损的问题,研究人员开展了关于在 Fe 粒子上密集且精确排列 Pt 原子形成 Pt-Fe-Pt 异三聚体的研究。结果显示,该活性位点可优先氢化巴豆醛(CAL)的 C=O 键,反应速率提高 35 倍,对精细化工生产意义重大。

  在多相催化领域,将贵金属粒子缩小至亚纳米团簇甚至单原子状态,能让几乎所有贵金属原子参与催化反应,极大提高原子利用率。但这样做会改变活性位点的电子结构,导致其固有活性和选择性下降。在双金属催化剂中,通过贱金属原子将两个贵金属原子连接起来,能创造出富电子和缺电子位点,可区分活化反应分子中的不同官能团,不过精确制备这类原子级活性位点难度很大。
此次研究发现,在 673K 下用 H?还原由 3.3nm 的 Pt 粒子和 9.8nm 的 Fe?O?粒子组成的粒子对,能在 Fe 粒子上密集且精确地排列 Pt 原子,形成 Pt-Fe-Pt 结构。新生成的 Fe 纳米粒子会把 Pt 粒子分散成孤立的 Pt 原子,这些 Pt 原子通过金属间键与 Fe 原子相连。

Pt-Fe-Pt 活性位点不仅能优先催化巴豆醛(CAL)中 C=O 键的加氢反应,同时让共轭的 C=C 键保持完整,而且其活性提高了 35 倍,打破了选择性加氢中常见的选择性 - 活性权衡困境。这种活性和选择性的同步提升,源于 Pt-Fe-Pt 活性位点经过精细调控的配位环境。它能像酶催化一样,通过位点 - 键识别的方式与反应分子相互作用:左边的 Pt 原子负责固定 C=C 键,中间的 Fe 原子激活 C=O 键,右边的 Pt 原子吸附 H 原子,为 C=O 键的加氢反应提供氢源。

该研究表明,精妙的催化过程需要活性位点中的金属原子与反应分子中的官能团进行位点 - 键识别。这一成果可广泛应用于各类双金属催化剂,助力在原子精度层面设计活性位点,从而控制精细化学品和特殊化学品生产过程中的反应选择性。
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