中大新聞網(wǎng)訊（通訊員陳強(qiáng)）分子篩限域單原子催化劑不僅兼具分子篩催化的擇形性，同時(shí)可使貴金屬的原子利用率接近100%，是十分理想的工業(yè)用催化劑。目前該類催化劑已在催化氧化、催化加氫和異構(gòu)化等反應(yīng)中表現(xiàn)了優(yōu)異的應(yīng)用前景。但是，單原子在分子篩結(jié)構(gòu)中的分布位置較難精準(zhǔn)控制，如何通過定向設(shè)計(jì)策略，使得單原子在分子篩孔道中的位置可精準(zhǔn)調(diào)控，是目前分子篩限域單原子催化劑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
近日，中山大學(xué)陳強(qiáng)副教授，武漢紡織大學(xué)劉磊教授、深圳大學(xué)葉陳良博士和石油化工科學(xué)研究院邢恩會(huì)博士等合作，利用模板劑(氯化膽堿)占位策略，以Y分子篩封裝單原子鉑為例，成功設(shè)計(jì)并制備出了一種Y分子篩SOD籠限域的單原子Pt催化劑，該催化劑在炔烴加氫反應(yīng)中展現(xiàn)了良好的催化選擇性和抗中毒能力。具體而言，如圖一所示，原位合成過程中，通過控制模板劑氯化膽堿占位Y分子篩超籠，從而使得乙二胺配位的Pt前驅(qū)體更易進(jìn)入SOD籠，然后通過控制焙燒和還原溫度，制備出了Y分子篩SOD籠定位限域鉑單原子催化劑。球差電鏡、EXAFS等表征結(jié)合DFT計(jì)算表明，被SOD籠所限域的Pt單原子位應(yīng)位于SOD籠的六元環(huán)平面中，同時(shí)被兩個(gè)氧原子配位。
圖一：Y分子篩SOD籠限域單原子鉑的制備示意圖
所合成的單原子型催化劑在苯乙炔選擇性加氫制備苯乙烯反應(yīng)中展現(xiàn)了優(yōu)異的催化選擇性和催化穩(wěn)定性，尤其在抗中毒能力方面，該催化劑展現(xiàn)出了較好的抗噻吩和抗一氧化碳中毒性能(圖二)。例如，無論是采用噻吩預(yù)處理催化劑還是在催化反應(yīng)中原位加入，該催化劑的催化活性基本能維持而不明顯下降。相比而言，傳統(tǒng)浸漬法合成的Pt/Y以及商用的Pt/C催化劑，都容易被噻吩中毒，使得催化活性大大降低。與抗硫中毒類似，該催化劑也具備優(yōu)良的抗一氧化碳中毒性能。一氧化碳預(yù)處理催化劑或者原位添加一氧化碳，催化劑都能維持原有的活性。機(jī)理研究表明，這種抗中毒能力可能是由于單原子鉑位于SOD籠平面六元環(huán)且被其中的兩個(gè)氧原子配位這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)引起的。該獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以減弱噻吩和一氧化碳與單原子鉑的相互作用。該工作發(fā)展了一種新的分子篩封裝限域單原子的方法，并且為豐富單原子催化理論做出了積極貢獻(xiàn)。
圖二：Y分子篩SOD籠限域單原子鉑的催化性能
相關(guān)成果以“Template Guided Regioselective Encaging of Platinum Single Atoms into Y Zeolite: Enhanced Selectivity in Semihydrogenation and Resistance to Poisoning” 為題發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition期刊，并被選為當(dāng)期熱點(diǎn)論文(hot paper)，論文第一單位為中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，第一作者為陳強(qiáng)副教授，通訊作者為陳強(qiáng)副教授、劉磊教授和葉陳良博士，碩士生彭湃、楊淦鈞、李彥之、韓孟熹等參與了工作。該工作得到了中石化石科院煉油工藝與催化劑國家工程研究中心、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年基金、中山大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202205978
