近日，我校化工學(xué)院、化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室周興貴教授、段學(xué)志教授、陳文堯特聘研究員等針對單原子催化劑在反應(yīng)過程中易中毒失活問題，創(chuàng)新提出了金屬納米顆粒作為“解藥”的策略，實現(xiàn)了單原子Au與納米顆粒Au間的接力催化，顯著提升了丙烯氫氧環(huán)氧化制環(huán)氧丙烷反應(yīng)性能。相關(guān)成果以“Nanoparticles as an antidote for poisoned gold single-atom catalysts in sustainable propylene epoxidation”為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications 2024, 15, 3249）上。

當(dāng)今，單原子催化劑（SACs）的研究備受矚目，其在催化領(lǐng)域展現(xiàn)出的巨大潛力引發(fā)了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。這種催化劑以其極高的原子利用率、可調(diào)節(jié)的電子特性以及與傳統(tǒng)納米顆粒相比更為獨特的尺度效應(yīng)，被認(rèn)為是未來可持續(xù)催化的關(guān)鍵。然而，盡管SACs在許多反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越性能，但其用于實際生產(chǎn)仍面臨易失活、活性位點單一等挑戰(zhàn)，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

針對這一問題，研究團隊提出了一項概念性的驗證研究，重點考察了金（Au）單原子催化丙烯氣相氫氧環(huán)氧化的催化劑（Au SACs）中毒問題，并探討了金納米顆粒（Au NPs）作為解毒劑的潛在應(yīng)用。研究結(jié)果顯示，微量添加Au納米顆粒可以有效增強和維持丙烯環(huán)氧化反應(yīng)的性能。通過動力學(xué)研究、多種表征手段以及多尺度模擬分析，發(fā)現(xiàn)Au SACs在低丙烯覆蓋度下具有顯著的環(huán)氧化活性，但在高覆蓋度下則會出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。值得指出的是，傳統(tǒng)的丙烯環(huán)氧化過程通常需要鈦（Ti）位點的引入，而本研究發(fā)現(xiàn)Au SACs與Au NPs可以相互協(xié)作，在無Ti的化學(xué)環(huán)境下提供反應(yīng)所需的不同活性位點以及過氧化氫自由基，從而分別促進H₂/O₂和C₃H₆的活化過程，以接力催化方式實現(xiàn)反應(yīng)性能的提升。

圖片說明：Au SACs與Au NPs的空間距離與床層分布調(diào)控

進一步通過調(diào)控Au SACs和Au NPs的空間距離與床層分布，實現(xiàn)了反應(yīng)物覆蓋度的匹配，從而實現(xiàn)了過氧化氫自由基的形成、轉(zhuǎn)移和消耗的速率匹配。實驗證明，僅需添加占Au SACs質(zhì)量0.3%的微量Au NPs解毒劑，即可顯著提升環(huán)氧丙烷的生成速率（56倍）、選擇性（3倍）和H₂效率（22倍），并且這種優(yōu)異性能能夠持續(xù)穩(wěn)定150小時以上。這一發(fā)現(xiàn)不僅為催化領(lǐng)域的研究和應(yīng)用帶來了新的突破，也為可持續(xù)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展貢獻了重要的思路和實踐經(jīng)驗。

圖片說明：Au SACs與Au NPs間的接力催化大幅提升丙烯環(huán)氧化反應(yīng)性能

該研究得到了袁渭康院士等的悉心指導(dǎo)。此外，該研究得到了國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金、上海市碳中和基礎(chǔ)研究特區(qū)項目、上海市教委科研創(chuàng)新計劃自然科學(xué)重大項目、上海市科委科技創(chuàng)新行動計劃等項目的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47538-4