抗一氧化碳毒化的高效选择性加氢铂基催化剂研究取得新进展

  • 电子显微学实验室 (物理科学学院)
  • 创建于 2019-02-26
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  催化加氢过程是现代工业的重要过程,是清洁燃料和高阶化学品生产中的关键步骤。经估算催化加氢在整个化学工业体系中的占比超过30%。在催化加氢工业过程中,虽然使用成本低廉的粗氢作为氢源具有工业装置简单、经济性高等特点,但是粗氢中含有的少量一氧化碳(从几百到几千ppm量级)会造成加氢催化剂的快速毒化。这部分痕量一氧化碳由于和贵金属催化剂(尤其是铂催化剂)具有很强的相互作用,在催化反应过程中会很快占据催化活性位点,从而使得反应物分子无法在催化剂表面吸附,从而导致催化剂中毒失活。因此,现代催化加氢过程一般使用更为昂贵而且工业装置更为复杂的高纯氢(纯度高达 99.99%以上)系统作为氢源。发展新型高效贵金属催化剂,提高贵金属催化剂对一氧化碳的耐受度,甚至直接利用粗氢进行低温催化加氢反应,从而降低加氢成本和工业催化装置的复杂性是该研究领域的重大挑战。

  中国科学院大学(以下简称“国科大”)物理科学学院/拓扑量子计算卓越创新中心周武课题组与北京大学马丁课题组、中国科学院山西煤化所/中科合成油温晓东课题组合作,在前期对原子级分散Pt/α-MoC催化剂结构深入理解的工作基础上(Nature, 544, 80-83,2017),通过定向控制碳化钼基底和负载于其上的原子级分散的Pt物种间的电子转移,实现对一氧化碳与Pt前线轨道相互作用的调变,成功地弱化了一氧化碳在贵金属Pt上的吸附。 将该催化剂应用于以含有100-1000 ppm一氧化碳的粗氢为氢源的硝基苯催化加氢反应中,实现了Pt基催化剂抗一氧化碳中毒高效催化加氢性能,而这是传统Pt基催化剂所不具备的特性。在更具挑战的硝基苯衍生物选择性加氢反应中,该催化剂表现出高效的选择性加氢性能,特别是对硝基苯乙烯和硝基苯乙炔的加氢选择性均高达 > 99.9%,使得反应产物无需再经分离提纯,可减少高阶化学品生产的工序并降低成本。更值得一提的是该催化剂在以水为溶剂的催化加氢过程中,实现了全浓度抗一氧化碳中毒的加氢性能,并且维持了较高催化活性(~3400 h-1)和优异的循环稳定性。该研究开辟了利用粗氢,重整气乃至CO+H2O等多种氢源直接用于高效选择性加氢反应的新途径。该研究成果以“A highly CO-tolerant atomically dispersed Pt catalyst for chemoselective hydrogenation”为题于2019年2月25日在线发表于 Nature Nanotechnology(https://doi.org/10.1038/s41565-019-0366-5)。

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图 1.Pt/α-MoC及Pt/C催化剂在含有不同CO浓度反应气氛和溶剂中的催化硝基苯加氢活性比较

  该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院等的资助,在研究过程中得到上海光源姜政研究员的大力帮助及中科合成油技术有限公司的资助。北京大学马丁教授和国科大周武研究员、山西煤化所/中科合成油温晓东研究员为该工作的共同通讯作者,第一作者为北京大学博士后林丽利、北京大学已毕业博士姚思宇和内蒙古大学教授高瑞。

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图2. 抗CO中毒催化加氢示意图

责任编辑:余玉婷