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近年來，負載型原子分散催化劑（SADCs）由于其最大化原子利用效率和獨特的催化性能引起了廣泛關注。相比傳統的金屬納米顆粒催化劑，SADCs的活性位點間相互孤立且結構均一，使得該類催化劑在烴類選擇性加氫反應中展現出較高的選擇性和良好的抗積碳性能。由于其表面自由能急劇增加，如何獲得高載量且同時能在反應條件下保持高穩定性的催化劑是一個巨大挑戰。增強金屬-載體相互作用（MSIs）或將活性金屬物種限域在一定空間內（例如微孔）是提高金屬穩定性的兩種常用方法。然而，過強的MSIs可能會導致反應活性大幅度降低；微孔限域活性金屬則有可能會影響反應的傳質。因此，如何實現高載量、高穩定性和高活性SADCs的理性設計是當今亟待解決的科學難題。

針對上述難題，中國科學技術大學的路軍嶺教授與李微雪教授、韋世強教授等課題組密切合作，協同利用金屬-載體相互作用和原子限域兩種機制，在g-C3N4載體上設計合成了高載量、高穩定性的Ni1Cu2動態三原子催化劑（圖1），該催化劑在富烯烴氣氛中乙炔和1,3丁二烯選擇性加氫應用方面取得突破性進展。研究成果于2021年7月26日以“Synergizing metal-support interactions and spatial confinement boosts dynamics of atomic nickel for hydrogenations”為題，在線發表在國際著名期刊《Nature Nanotechnology》上。論文的共同第一作者為中國科大博士研究生古健、簡敏珍和黃莉。

圖1 Ni1Cu2三原子催化劑在乙炔選擇性加氫中動態結構變化的模型示意圖。其中金色、藍色、紅色、白色、黑色小球分別代表銅、鎳、氧、碳和氫原子。

該工作中，路軍嶺教授課題組利用Cu、Ni與g-C3N4載體上豐富的氮之間強的金屬-載體相互作用，以及預沉積的Cu原子對Ni原子的限域，在g-C3N4載體上制備出了高載量Ni1Cu2三原子催化劑，Ni、Cu負載量分別為3.1 wt.%和8.1 wt.%。在富乙烯氛圍的乙炔選擇性加氫反應中，制備的Ni1Cu2三原子結構催化劑在活性、選擇性和穩定性方面表現出優異的催化性能，如圖2所示，該催化劑在大約170°C實現乙炔的完全轉化，并保持90%的乙烯選擇性，而且可以保持350小時以上的穩定性。該催化劑在1,3丁二烯選擇性加氫中表現出了類似的優異性能。原位同步輻射真空紫外光電離質譜和原位熱重測試表明催化劑在反應過程中基本沒有積碳的生成，進一步證明了上述催化劑優異的抗積碳性能。

圖2 Ni1Cu2動態三原子、Cu單原子、Ni單原子催化劑在乙炔選擇性加氫反應中加氫性能對比。

原子分辨球差矯正電鏡觀察到大量具有顯著催化活性的線式三原子結構，對比實驗表明其它單原子、以及三角形的三原子結構均不具有催化活性；中國科學院大學周武教授課題組通過原子分辨的電子能量損失譜（EELS）實驗，發現這些線式三原子結構，Ni原子處在中間，兩個Cu原子在兩邊，直接證明了線性Cu-Ni-Cu結構的存在（圖3）。原位X-射線光電子能譜（XPS）實驗揭示了Ni原子配位的氧物種為OH物種，且Ni與OH摩爾比為1:2。漫反射紅外（DRIFTS）CO吸附、乙炔、乙烯程序升溫脫附（TPD）實驗，則從多個角度證實了Ni原子和Cu原子之間存在直接的相互作用。中國科學技術大學韋世強教授課題組，利用原位X射線吸收譜（XAFS）從實驗上進一步揭示了在氫氣和乙炔加氫反應氣氛下Ni的配位結構信息。綜上表征表明，該催化劑可能的結構是Cu-OH-Ni-OH-Cu。此外，原位DIRTFS 乙炔加氫反應，進一步觀察到OH物種直接參與了催化反應。

圖3.Ni1Cu2三原子催化劑的HAADF-STEM、EELS、DRIFTS CO吸附、XPS以及XAFS結構表征。

圖4 Ni1Cu2三原子催化劑的穩定性、抗積碳性和乙炔加氫機理的理論機制。

李微雪教授課題組理論計算確定了Cu-OH-Ni-OH-Cu結構的空間構型 （圖4）。揭示出了Ni1Cu2三原子與載體的共價鍵相互作用、及其兩側Cu原子對中間活性Ni原子的限域是該催化劑具有高穩定性的內在原因。同時孤立的活性Ni位點限制了乙炔乙烯等的共吸附，使得其展現優異的抗積碳性。進一步理論計算發現：反應物分子吸附時Ni原子與載體間的化學鍵斷裂并被拉離表面，便于后續加氫生成目標產物；產物脫附后，Ni原子則重回載體表面并與載體成鍵（圖1）。金屬-載體相互作用與原子限域的協同帶來催化過程中的動態結構變化，不僅可以改進催化劑對反應分子的吸附提高催化活性，同時也可以維持高穩定性，而單Ni位點則使得該催化表現出高選擇性和高抗積碳性能。這一策略為未來設計高效、穩定、高負載量、原子分散、且低成本的工業加氫催化劑提供了新思路。

該項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院前沿科學重點等項目的支持。感謝上海同步輻射光源、北京同步輻射裝置、和合肥國家同步輻射中心等國家實驗室、中國科學技術大學超算中心、鄭州國家超算中心為該項研究提供的寶貴機時。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00951-y