抗一氧化碳毒化的高效選擇性加氫鉑基催化劑研究取得新進展

2020-12-01 中國科學院大學新聞網

　　催化加氫過程是現代工業的重要過程，是清潔燃料和高階化學品生產中的關鍵步驟。經估算催化加氫在整個化學工業體系中的佔比超過30%。在催化加氫工業過程中，雖然使用成本低廉的粗氫作為氫源具有工業裝置簡單、經濟性高等特點，但是粗氫中含有的少量一氧化碳(從幾百到幾千ppm量級)會造成加氫催化劑的快速毒化。這部分痕量一氧化碳由於和貴金屬催化劑（尤其是鉑催化劑）具有很強的相互作用，在催化反應過程中會很快佔據催化活性位點，從而使得反應物分子無法在催化劑表面吸附，從而導致催化劑中毒失活。因此，現代催化加氫過程一般使用更為昂貴而且工業裝置更為複雜的高純氫（純度高達 99.99%以上）系統作為氫源。發展新型高效貴金屬催化劑，提高貴金屬催化劑對一氧化碳的耐受度，甚至直接利用粗氫進行低溫催化加氫反應，從而降低加氫成本和工業催化裝置的複雜性是該研究領域的重大挑戰。

　　中國科學院大學（以下簡稱「國科大」）物理科學學院/拓撲量子計算卓越創新中心周武課題組與北京大學馬丁課題組、中國科學院山西煤化所/中科合成油溫曉東課題組合作，在前期對原子級分散Pt/α-MoC催化劑結構深入理解的工作基礎上（Nature, 544, 80-83，2017），通過定向控制碳化鉬基底和負載於其上的原子級分散的Pt物種間的電子轉移，實現對一氧化碳與Pt前線軌道相互作用的調變，成功地弱化了一氧化碳在貴金屬Pt上的吸附。 將該催化劑應用於以含有100-1000 ppm一氧化碳的粗氫為氫源的硝基苯催化加氫反應中，實現了Pt基催化劑抗一氧化碳中毒高效催化加氫性能，而這是傳統Pt基催化劑所不具備的特性。在更具挑戰的硝基苯衍生物選擇性加氫反應中，該催化劑表現出高效的選擇性加氫性能，特別是對硝基苯乙烯和硝基苯乙炔的加氫選擇性均高達 > 99.9%，使得反應產物無需再經分離提純，可減少高階化學品生產的工序並降低成本。更值得一提的是該催化劑在以水為溶劑的催化加氫過程中，實現了全濃度抗一氧化碳中毒的加氫性能，並且維持了較高催化活性（~3400 h-1）和優異的循環穩定性。該研究開闢了利用粗氫，重整氣乃至CO+H2O等多種氫源直接用於高效選擇性加氫反應的新途徑。該研究成果以「A highly CO-tolerant atomically dispersed Pt catalyst for chemoselective hydrogenation」為題於2019年2月25日在線發表於 Nature Nanotechnology（https://doi.org/10.1038/s41565-019-0366-5）。

圖 1．Pt/α-MoC及Pt/C催化劑在含有不同CO濃度反應氣氛和溶劑中的催化硝基苯加氫活性比較

　　該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中國科學院等的資助，在研究過程中得到上海光源姜政研究員的大力幫助及中科合成油技術有限公司的資助。北京大學馬丁教授和國科大周武研究員、山西煤化所/中科合成油溫曉東研究員為該工作的共同通訊作者，第一作者為北京大學博士後林麗利、北京大學已畢業博士姚思宇和內蒙古大學教授高瑞。

圖2. 抗CO中毒催化加氫示意圖

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