近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化與新材料研究中心中國科學(xué)院院士張濤、研究員王曉東、研究員林堅(jiān)團(tuán)隊(duì)與福州大學(xué)林森教授等合作，在雙原子催化劑的制備及其協(xié)同機(jī)制的研究方面取得新進(jìn)展，開發(fā)的新型雙原子催化劑表現(xiàn)出優(yōu)于單原子催化劑的丙烷脫氫性能。
大連化物所開發(fā)出新型丙烷脫氫雙原子催化劑
丙烯是一種重要的有機(jī)化工原料。丙烷脫氫制丙烯和氫氣（PDH）是原子經(jīng)濟(jì)型的反應(yīng)，也是一種重要的工業(yè)生產(chǎn)丙烯過程。目前，該過程主要采用Pt基和Cr基催化劑，面臨價格較昂貴、環(huán)境不友好等問題，開發(fā)非Pt非Cr基高效PDH催化劑具有重要意義。
近年來，具有配對活性位點(diǎn)的雙原子催化劑（DACs）是多相催化領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，但其活性中心的協(xié)同作用還需明確。本工作中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高性能的Zn1Co1異雙原子催化劑，其中，PDH反應(yīng)的主要活性中心為N橋連的Zn1Co1雙原子對。與Zn1/NC、Co1/NC單原子催化劑，以及Zn2/NC雙原子催化劑相比，Zn1Co1異雙原子催化劑具有更高的活性（90h-1）和選擇性（95%），反應(yīng)性能與工業(yè)Cr基催化劑相當(dāng)并表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。系列表征和理論計(jì)算結(jié)果表明，PDH性能的增強(qiáng)是由于N物種配位的Zn1和Co1之間的電子相互作用促進(jìn)了C3H8的C-H鍵的活化；反應(yīng)過程中Zn1位動態(tài)下降而Co1位動態(tài)上升，并且所產(chǎn)生H物種能夠覆蓋Zn1位，促進(jìn)丙烯從Co1位解吸，進(jìn)而提高了選擇性。
進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表了雙原子金屬催化劑研究的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)該類催化劑在多相催化研究方面取得的最新進(jìn)展。探討了雙原子催化劑活性中心結(jié)構(gòu)、雙原子金屬間作用機(jī)制等，并對雙原子活性中心微區(qū)環(huán)境的調(diào)控以促進(jìn)高效催化劑的設(shè)計(jì)制備進(jìn)行了展望。
該團(tuán)隊(duì)長期致力于單原子、亞納米催化劑制備及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究，取得了系列成果。在單原子和金屬氧化物雙位點(diǎn)催化（Angew. Chem. Int. Ed.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2022）、單原子與金屬有機(jī)框架材料（UiO-66）雙位協(xié)同催化（J. Am. Chem. Soc.，2023），單原子中心微環(huán)境（內(nèi)外層）協(xié)同催化（Nat. Catal.， 2022）等研究基礎(chǔ)上，拓展至雙原子催化領(lǐng)域，為高效催化劑的理性設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。
相關(guān)工作以“Dual-Atom Catalyst with N-Colligated Zn1Co1 Species as Dominant Active Sites for Propane Dehydrogenation”“Inter-Metal Interaction of Dual-Atom Catalysts in Heterogeneous Catalysis”為題，分別發(fā)表在《美國化學(xué)會雜志》 （Journal of the American Chemical Society）和《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計(jì)劃、大連市杰出青年科技人才支持計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接1： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08616
文章鏈接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202306469
