乙烯作為重要基礎化工原料，其純度直接影響乙烯下游高附加值化學品的生產(chǎn)。由石油裂解制備的乙烯中，通常含有0.5 ~ 2 vol.%的乙炔雜質(zhì)，乙炔會毒化后續(xù)乙烯聚合反應的催化劑。因此，乙炔雜質(zhì)脫除是乙烯聚合工業(yè)中的關鍵環(huán)節(jié)。利用乙炔催化加氫將乙炔轉化為乙烯，是去除乙炔雜質(zhì)的重要手段。目前，工業(yè)上使用的鈀銀（PdAg）合金加氫催化劑存在乙烯選擇性低、乙烯易過度加氫生成乙烷或綠油等問題。此外，貴金屬Pd催化劑會增加催化劑使用成本。因此，開發(fā)高性能、低成本乙炔加氫催化劑具有重要意義。
銅（Cu）作為一種儲量豐富、價格低廉的過渡金屬，對乙炔加氫展現(xiàn)出催化活性，研究團隊在前期工作中發(fā)現(xiàn)，Cu單原子有利于產(chǎn)物乙烯脫附，可實現(xiàn)高乙烯選擇性和最大化的金屬原子利用率。然而，相比于貴金屬Pd催化劑，Cu自身的氫解離能力較弱，催化乙炔完全轉化仍需較高的反應溫度（＞200 ℃），實現(xiàn)高活性、高選擇性Cu催化乙炔加氫仍是挑戰(zhàn)。
中國科學院金屬研究所研究員劉洪陽團隊與北京大學教授馬丁、重慶大學副教授孫耿等團隊合作，成功構建了一種亞納米全暴露Cu團簇與Ru單原子協(xié)同催化的雙金屬催化劑，實現(xiàn)了高活性、高選擇性催化乙炔加氫。
在170 ℃下，制備的Ru1Cun/SiO2催化劑實現(xiàn)了100%乙炔轉化率和97.6%乙烯選擇性，顯著降低乙炔完全轉化溫度。加氫活性達34.02 molC2H2/（molCu·h），分別是單金屬Cu團簇和Cu單原子催化劑的5.3和52.3倍。氫氘交換實驗證明，Ru單原子的引入可明顯提高RuCu催化劑的加氫活性，氫氣解離溫度由83 ℃降低至47 ℃。結合譜學表征與DFT理論計算，揭示了單原子Ru與全暴露Cu團簇協(xié)同催化乙炔加氫的催化機理。在單金屬Cu團簇催化劑上，H2解離需要克服1.31 eV的自由能壘，說明單Cu團簇對H2活化能力有限。而在雙金屬RuCu催化劑中，Ru單原子作為氫活化中心實現(xiàn)高效解離H2，Cu團簇作為乙炔吸附和活化的位點。
該研究工作通過原子級精準設計構建了Cu團簇與金屬Ru單原子協(xié)同催化體系，解決了單金屬Cu因加氫活性不足而存在的活性與選擇性難以兼顧的問題，為開發(fā)高效乙炔加氫催化劑提供了新思路。
近日，相關研究成果以Fully Exposed Cu Clusters with Ru Single Atoms Synergy for High-Performance Acetylene Semihydrogenation為題，發(fā)表在《美國化學會志》（JACS）上。該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國博士后科學基金、中國科學院相關項目等的支持。
論文鏈接
?催化劑的Ru、Cu?K邊 XANES和EXAFS表征結果
催化劑乙炔加氫性能
單金屬Cu團簇催化劑和雙金屬RuCu催化劑上乙炔選擇性加氫反應的吉布斯自由能圖以及關鍵中間體結構
全暴露Cu團簇與Ru單原子協(xié)同催化乙炔選擇性加氫示意圖
本文鏈接：亞納米銅團簇與釕單原子協(xié)同催化乙炔加氫研究取得進展http://m.sq15.cn/show-12-1239-0.html
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