近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所環(huán)境與能源納米材料中心在選擇性加氫催化轉(zhuǎn)化方面取得新進(jìn)展，構(gòu)筑了具有超高催化活性、選擇性以及穩(wěn)定性的包含Co-Nx活性位點的非貴金屬催化劑。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)材料》上(Adv.Mater.2019, DOI: 10.1002/adma.201808341)。

生物質(zhì)是地球上最豐富的可再生資源之一，在合適催化劑的作用下，可以轉(zhuǎn)化成燃料和化學(xué)品，用來取代化石資源。由于其豐富的含氧量，生物質(zhì)衍生平臺分子的選擇性加氫被認(rèn)為是生物質(zhì)精細(xì)化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的方法之一。目前加氫催化劑的活性組分主要依賴于貴金屬（Pt，Au，Pd，Ru等）活性位，但其儲量低且價格昂貴，嚴(yán)重制約了其規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，開發(fā)低成本的非貴金屬高活性加氫催化劑是實現(xiàn)生物質(zhì)應(yīng)用的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)負(fù)載型非貴金屬納米催化劑由于形貌和尺寸均一性差、活性位點單一，導(dǎo)致了其在加氫催化過程中的活性、選擇性以及穩(wěn)定性差。近期，基于金屬有機(jī)框架（MOFs）材料制備低成本、高催化活性的金屬-氮-碳結(jié)構(gòu)的催化劑體系得到了研究者的廣泛關(guān)注。但是，MOFs的高溫直接碳化會導(dǎo)致N含量和孔隙率下降，影響材料的催化性能。因此，需要構(gòu)筑合適的納米結(jié)構(gòu)去保持材料的催化活性。ZIF-67前驅(qū)體衍生的N摻雜碳納米管包裹3d過渡金屬納米催化劑，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和成分設(shè)計，已被證明是一種高效的電催化劑。研究者們將其優(yōu)異的電催化性能主要歸因于化學(xué)組分(適當(dāng)?shù)腘摻雜)和多級中空結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。然而，基于這種特殊結(jié)構(gòu)的金屬-氮-碳材料原位衍生的過渡金屬納米顆粒的催化潛力還未被充分挖掘，特別是對于傳統(tǒng)熱催化的研究鮮有報道。

為此，研究人員采用兩步熱解法制備了ZIF-67衍生N摻雜碳納米管包裹的Co納米顆粒催化劑。由于高溫分步熱解使得碳納米管的生長更有序，同時一維碳納米管結(jié)構(gòu)可有效阻止碳化過程中Co顆粒的增大和團(tuán)聚，使得Co納米顆粒被高度均勻地包裹在N摻雜碳納米管的頂端，平均顆粒尺寸為10.4nm，如圖所示。分析表明，所構(gòu)筑的催化劑存在大量的Co-Nx活性位，進(jìn)而導(dǎo)致非貴金屬催化劑具有超高的催化活性、選擇性以及穩(wěn)定性。進(jìn)一步分析表明，這類具有高活性位點的催化劑甚至可以在室溫下選擇性地將含有醛基、酮基、羧基和硝基官能團(tuán)的生物質(zhì)基化合物選擇性加氫轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的高附加值精細(xì)化學(xué)品，其催化性能達(dá)到甚至超過現(xiàn)有貴金屬催化劑的水平。相關(guān)研究為制備具有高效非貴金屬基加氫催化材料提供了新的、有效的途徑，并為新的加氫活性位的理解提供了實驗基礎(chǔ)。

該項工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。

原標(biāo)題:合肥研究院在選擇性加氫催化轉(zhuǎn)化方面取得進(jìn)展