我國學者在加氫催化劑精準設計方面取得進展

在國家自然科學基金項目（批準號：22025205、21673215、91945302、22072092、92045301）等資助下，中國科學技術大學路軍嶺教授團隊與李微雪教授等團隊合作，精準設計出單原子殼層的Au@Pt/SiO₂雙金屬催化劑，從而打破了Pt催化劑活性—選擇性的“蹺蹺板”困境，在溫和條件下實現了高活性、高化學選擇性加氫。研究成果以“單原子殼層雙金屬催化劑打破尺寸調控加氫活性和選擇性的兩難困境（Bimetallic monolayer catalyst breaks the activity–selectivity trade-off on metal particle size for efficient chemoselective hydrogenations）”為題，于2021年10月18日在線發表在《自然×催化》（Nature Catalysis）上。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00679-x。

負載型金屬納米催化劑是一類重要的催化劑，廣泛應用于石油化工、煤化工、精細化工、環境等領域。取得高選擇性是實現精準催化的關鍵，然而在大多數情況下，高選擇性往往通過犧牲催化活性來實現。其中，對于化學選擇性加氫反應，由于多種官能團可一同參與反應，同時實現高活性和高選擇性更具挑戰。

針對上述難題，該課題組首先利用原子層沉積（ALD）技術精準制備的特點，制備了具有不同Pt顆粒尺寸的Pt/SiO₂催化劑，發現該系列催化劑在鹵代硝基苯選擇性加氫反應中的活性和選擇性隨Pt顆粒尺寸呈"蹺蹺板"關系。通過理論計算，對比研究了Pt(111)、Pt(211)、Pt₅₅和Pt₁₄₇模型表面的吸附和催化加氫特性，揭示了幾何效應和電子效應在對氯硝基苯加氫反應的各自貢獻以及隨尺寸演化規律。理論研究結果進一步表明，基于晶格拉伸以及配體效應帶來Pt 5d帶中心的上移，可以提升加氫活性，而且平臺面的維持可以保持高選擇性。在此研究基礎上，該課題組再次利用ALD技術精準構筑出不同殼層厚度的Au@Pt/SiO₂核殼型雙金屬催化劑。多尺度結構表征表明，Au@Pt/SiO₂雙金屬催化劑展現出明顯區別于Pt單金屬催化劑的電子特征，且Pt殼層面內出現晶格膨脹，在溫和條件下同時實現高活性和高化學選擇性加氫，成功打破了Pt催化劑活性—選擇性的“蹺蹺板”困境（圖1）。

單殼層的雙金屬核殼催化劑中獨特的幾何結構和電子結構的性質，為未來設計維持高貴金屬利用率、高化學選擇性和高活性的催化劑提供了一種有效策略。

圖1 Pt單金屬、AuPt合金、Au@Pt核殼結構催化劑的氯代硝基苯催化性能對比，以及單原子殼層雙金屬催化劑的模型示意圖