Pd与IB族金属合金单原子催化剂助力乙炔选择性氢化制备乙烯

大量乙烯存在条件下的乙炔选择氢化是化工生产过程中的重要反应之一。负载型Pd催化剂在这一反应中表现出很高的乙炔转化率，但是生成乙烯的选择性很低，还会使原料气中的乙烯进一步氢化，造成原料气的浪费。采用另一种元素修饰Pd纳米颗粒，可以在一定程度上提高乙烯的选择性，但与此同时会大大降低贵金属Pd的利用率。目前，制备兼具高活性和高选择性且经济实用的催化剂仍面临着巨大的挑战。

大连化学物理研究所的张涛院士（点击查看介绍）和刘晓艳研究员（点击查看介绍）团队，通过调控Pd与第一副（IB）族金属元素Au或Ag的原子比，在氧化硅载体上制备得到了Pd与Au或Ag形成的合金单原子催化剂（New J. Chem., 2014, 38, 2043-2051；ACS Catal., 2015, 5, 3717-3725）。他们发现反应在保持很高的乙炔转化率的同时，乙烯的选择性比单金属Pd/SiO₂催化剂提高了近三个数量级。而且Pd的用量仅为ppm级别，大大提高了Pd原子的利用率。尤其是Pd与Ag形成的合金单原子催化剂，在反应温度为160-320 ℃时，可以保持>90%的乙炔转化率和约80%的乙烯选择性。

近期，该研究团队通过将Pd与IB族金属元素Cu结合，在氧化硅载体上制备得到了Pd与Cu形成的合金单原子催化剂。他们发现在同样的反应条件下，较Pd与Au或Ag形成的合金单原子催化剂，可以得到100%的乙炔去除率和约80%的乙烯选择性。作为IB族最为廉价的金属，Pd与Cu形成的合金单原子催化剂在提高Pd原子利用率的同时，大大降低了催化剂的经济成本。

进一步的实验与理论计算分析结果表明，Pd与IB族金属形成合金单原子催化剂时的加氢活性和选择性的差异，是由解离后氢原子的溢流以及Pd与IB族金属原子间几何和电子结构差异造成的。Pd与Ag或Cu形成合金单原子催化剂时，Pd会带有部分负电荷，从而使其对乙烯的选择性明显高于Pd与Au形成的合金单原子催化剂。Cu较低的电负性以及合适的原子半径，是使Pd与Cu形成的合金单原子催化剂具有优异催化性能的主要原因。

这一成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者是大连化学物理研究所的裴广贤博士。上述工作得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、中科院战略性先导科技专项和教育部能源材料化学协同创新中心（iChem）的资助，并得到上海光源的支持。

该论文作者为：Guang Xian Pei, Xiao Yan Liu, Xiaofeng Yang, Leilei Zhang, Aiqin Wang, Lin Li, Hua Wang, Xiaodong Wang, and Tao Zhang

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）：

Performance of Cu-Alloyed Pd Single-Atom Catalyst for Semihydrogenation of Acetylene under Simulated Front-End Conditions

ACS Catal., 2017, 7, 1491-1500, DOI: 10.1021/acscatal.6b03293

导师介绍

张涛

http://www.x-mol.com/university/faculty/22786

刘晓艳

http://www.x-mol.com/university/faculty/39467

X-MOL催化领域学术讨论QQ群（210645329）