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亞納米尺度全暴露Pt團簇高效催化多步加氫研究獲進展

文章來源：新能源網更新時間：2024-06-27 14:31:19

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員劉洪陽、副研究員刁江勇和博士研究生司陽等，聯合北京大學教授馬丁、中國科學院山西煤炭化學研究所研究員溫曉東、香港科技大學教授王寧等，在富缺陷石墨烯載體表面精準構建了全暴露Ptn團簇催化劑，實現了高效催化2,4-二硝基甲苯多步加氫，并在亞納米尺度下探討了2,4-二硝基甲苯加氫的金屬結構的依賴性。近日，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　芳胺是重要的有機化工原料和化工中間體，被廣泛應用于醫藥、農藥、染料、聚合物等功能性化合物的合成。芳胺類化合物可通過其對應的硝基芳烴還原制備。2,4-二氨基甲苯是高附加值芳胺化合物，由2,4-二硝基甲苯加氫制備，被應用于聚氨酯工業。由于二硝基芳烴存在兩個硝基官能團，其加氫反應需要經過相當復雜的多步加氫過程，且這一過程涉及多個串聯反應和并聯反應。對于二硝基芳烴的多步加氫反應，傳統的負載型鉑族金屬催化劑存在活性較低、穩定性差、價格昂貴、原子利用率低等問題。因此，亟需開發具有高活性、高金屬利用率和低成本的高效催化劑。

　　該團隊在富缺陷的納米金剛石-石墨烯（ND@G）載體表面精準構建了Ptn團簇催化劑（Ptn/ND@G），通過球差電鏡、XPS和X射線吸收譜等手段進行了系統表征，證明了Pt的全暴露團簇結構。科研人員在2,4-二硝基甲苯加氫性能測試中，比較了Ptn團簇、Pt1單原子及Ptp納米顆粒之間催化加氫性能的差異。在溫和條件下，Ptn/ND@G催化劑在加氫反應中表現出優異的催化活性和選擇性，并能夠至少循環使用5次，展示出良好的循環穩定性。同時，Ptn/ND@G催化劑對含有不同官能團的二硝基芳烴多步加氫反應也表現出優異的催化性能。實驗和密度泛函理論計算表明，Ptn團簇中多個活性位點之間的協同作用促進了硝基芳烴底物和H2的共吸附/活化；同時，Ptn團簇對中間體和產物具有適度的吸附能力，使得該多步加氫反應具有優異的催化性能。此外，Pt單原子催化劑由于單一活性位點難以同時吸附活化硝基芳烴底物和H2，表現出較低的活性。該研究構建了全暴露Pt團簇活性結構，實現了原子利用率和反應性能的最大化，這為開發高效多步加氫催化劑提供了新思路。

　　研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院相關項目的資助，并獲得上海同步輻射光源和北京同步輻射光源的支持。

全暴露Ptn團簇催化劑催化2,4-DNT多步加氫示意圖

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