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MoOx调节金属镍电子结构实现类铂的催化正十六烷烃加氢异构化性能

随着能源需求的增加,提高石油类产品的利用效率日益受到关注。正构烷烃加氢异构化是提高燃油品质(降低凝点、提高燃烧效率)的重要途径。该反应需经历脱氢-异构化-加氢三个主要步骤,因此需要开发同时具有加氢/脱氢和异构化功能的高效催化材料。Pt具有优异的加/脱氢活性,将其与分子筛(具有酸性位的催化异构化功能的载体)结合是获得具有双功能催化材料的常用方法。但是,金属铂价格高和储量低的特征限制了其在实际中的应用。尽管合金化、调节载体类型、降低铂尺寸等方法可以在一定程度上降低铂的用量,但是从实际应用角度来讲,开发低成本的非铂催化剂具有重要的意义。


后过渡金属Ni与Pt位于同一族,是非常有用催化材料。但是,单一的Ni金属与Pt基催化剂性能相差较大,难以满足加氢异构化的要求。这应该与其3d84s2的电子结构,有两个未成对的d电子有关(与铂的5d94s1的电子结构,有一个未成对的d电子明显不同)。依据d-带中心理论,过渡金属d轨道价电子被认为是催化反应的活性中心。开发具有类铂d电子结构的材料是实现非铂高效催化的关键。因此,使金属镍获得适量的电子,以实现对其d电子的调控十分必要。


前过渡金属Mo具有半充满的d轨道,价态多变可调。一些研究指出将前后过渡金属协同可以调节各组分电子结构,进而优化催化性能(d -电子互补效应)。黑龙江大学付宏刚教授(点击查看介绍)课题组前期工作中通过将前过渡金属(钼、钨、钒)和后过渡金属(铁、钴、镍)基材料协同,获得了高效的电催化分解水材料。基于前期工作,团队设想将钼物种与镍协同,利用两者之间的相互作用实现对Ni金属d电子结构的调控,优化其催化性能。团队基于前期发展的“真空辅助”路线,获得了MoOx与Ni紧密接触且在SAPO-11(S-11)分子筛载体上高度分散的催化材料。MoOx和镍的紧密接触使电子由钼物种转移向镍,从而增加了Ni金属的电子密度,有助于促进Ni位点上H物种的活化和脱附。此外,MoOx与载体有强的作用,增加分散性同时降低了粒子的尺寸,有助于SAPO-11分子筛暴露较多的Brønsted acid位点(异构化活性位点)。由于以上优点,3.0Ni-0.5Mo/S-11催化剂在催化正十六烷加氢异构化反应中展示出81.4%的异构体收率,与商业的铂基催化性能相当(异构体收率81.0%)且具有相似的催化异构化机制。此外,材料具有优异的催化稳定性。该工作为设计高效的非贵金属基加氢催化剂提供了新途径。


研究工作发表在ACS Catalysis,第一作者为黑龙江大学博士研究生王东旭田春贵教授和付宏刚教授为共同通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Electronic Tuning of Ni by Mo Species for Highly Efficient Hydroisomerization of n-Alkanes Comparable to Pt-Based Catalysts

Dongxu Wang, Xin Kang, Ying Gu, Hongyan Zhang, Jiancong Liu, Aiping Wu, Haijing Yan, Chungui Tian*, Honggang Fu*

ACS Catal., 2020, 10, 10449-10458, DOI: 10.1021/acscatal.0c01159


导师介绍

付宏刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/10066


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