近日，中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料中心研究員王愛琴、院士張濤團隊在長期從事單原子催化劑和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究基礎(chǔ)上，首次將高金屬載量的Ni-N-C單原子催化劑應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中并取得重要進展。相關(guān)工作以通訊形式發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被選為熱點文章（Hot paper）。
生物質(zhì)作為一種可再生碳資源，將其轉(zhuǎn)化為多元醇、芳烴、烷烴等高附加值化學品具有重要意義。Ni基催化劑在生物質(zhì)的加氫、加氫裂解和加氫脫氧等反應(yīng)中已被證明具有高催化活性。然而，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)介質(zhì)中（強酸、高溫、水熱），大部分Ni基催化劑并不能夠穩(wěn)定存在，這主要是由于低價態(tài)Ni0/Ni +催化活性物種在酸溶液中發(fā)生溶解、流失以及聚集長大等過程，從而導致催化劑的失活。該缺點也成為了限制Ni基催化劑應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中巨大的障礙。因此，急需發(fā)展一種新型耐酸穩(wěn)定的Ni基催化劑并用于生物質(zhì)加氫領(lǐng)域。
大連化物所單原子催化劑應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)研究取得新進展
近來，M-N-C單原子 (M通常指Fe/Co/Ni等過渡金屬) 在ORR、HER、CO2電還原等電化學反應(yīng)以及有機合成中表現(xiàn)出優(yōu)異性能。得益于過渡金屬M與雜原子N之間的強配位作用，M-N-C單原子催化劑有望抵抗住酸流失和熱聚集。此前，該研究團隊已經(jīng)合成出單原子分散的Co-N-C催化劑和Fe-N-C催化劑（J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci.），經(jīng)過酸刻蝕處理后的Co/Fe單原子在還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出非常優(yōu)異的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，近日，該團隊又發(fā)展了金屬載量高達7.5wt%的Ni-N-C單原子催化劑，并應(yīng)用于纖維素轉(zhuǎn)化制備多元醇 (乙二醇和羥基丙酮)反應(yīng)。對比活性炭負載的鎳納米顆粒催化劑 (Ni/AC)，Ni-N-C單原子催化劑在245 C、6MPa的H2氛圍、強酸和高溫水熱的苛刻條件下，表現(xiàn)出很好的耐久性，催化劑可循環(huán)7次以上且未見明顯的活性降低和單原子聚集長大。通過深入表征，成功解析出Ni-N-C單原子催化劑的活性中心為(Ni-N4) N構(gòu)型，并通過與清華大學的李雋教授合作，借助理論計算與對照實驗，揭示了H2分子是通過在Ni2+（路易斯酸位）和近鄰未配位的吡啶態(tài)N原子 (路易斯堿位) 組成的FLPs（受阻路易斯酸堿對）位點上以異裂方式解離活化的。
上述研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。
