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【解读】Chem. Sci.:单原子修饰纳米晶高效催化 H₂O₂ 直接合成

科学温故社  · 公众号  ·  · 2024-06-03 12:22

正文

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研究背景

H 2 O 2 被认为是世界上最重要的化学品之一,被广泛应用于化学品和药品合成、环境保护、杀菌以及漂白等领域。目前,95% 以上的工业 H 2 O 2 生产高度依赖于多步骤的蒽醌工艺,但该工艺涉及高能耗、高投入、使用有毒有害化学品等,不符合当今工业发展理念。
与蒽醌法相比,氢氧直接合成 H 2 O 2 (DSHP) 被认为是一种绿色、有前景的清洁生产工艺,具有低成本、生态友好、可分布式生产等优点,因而受到广泛关注。然而,H 2 O 2 产率严重受到热力学有利的副反应的限制,使得该工艺仍然是一个巨大的挑战。
近年来,该反应虽然取得了相当大的进展,但仍存在金属利用率低、H 2 O 2 产率低、构效关系不明确等缺点。研究表明具有面控制形状的纳米晶体可以提供一个可用的平台来揭示催化反应的潜在机制。

文章简介

近日, 中山大学纪红兵教授和何晓辉副教授 带领的研究团队通过结合前期研究工作 ( Chem. Eng. J. , 2023, 451 , 138867),利用单原子 Pt 修饰 Pd 纳米晶面的催化剂在氢氧直接合成 H 2 O 2 反应中获得高活性的同时揭示了反应的构效关系。该成果以“ Facet-dependent synthesis of H 2 O 2 from H 2 and O 2 over single Pt atom-modified Pd nanocrystal catalysts ”( 《单原子 Pt 修饰 Pd 纳米晶催化剂上氢氧直接合成 H 2 O 2 的面依赖性研究》 )为题,发表在英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 上。


该工作所设计的 Pt 1 Pd(111)/TiO 2 催化剂在 DSHP 反应中具有出色的反应活性,反应 30 分钟,H 2 O 2 生成量为 1921.3 μmol(与之前的报道相比,H 2 O 2 的生成量最高),H 2 转化率为 62.2%,H 2 O 2 选择性为 80.3%,且高于 Pt 1 Pd(100)/TiO 2 催化剂,表现出显著的面依赖性。动力学和同位素结果证实,Pt 1 Pd(111)/TiO 2 的优异活性归因于 Pt 1 Pd(111) 表面的富电子结构,这种结构有助于 H 2 的活化,被认为是 DSHP 过程中的决速步。DFT 计算证实,Pt 1 Pd(111) 表面 H 2 解离和两步 O 2 加氢的能垒低于Pt 1 Pd(100)表面,而四个副反应(*O 2 解离、*OOH解离、*H 2 O 2 分解和 *H 2 O 2 加氢)的能垒却大于 Pt 1 Pd(100) 表面,因此 Pt 1 Pd(111)/TiO 2 上具有更高的 H 2 O 2 选择性和生成量。这项工作为设计和开发高活性DSHP催化剂提供了一种前景广阔的策略,并加深了我们对反应机理的理解。

  • 图 1 Pt 1 Pd(111)/TiO 2 催化剂球差电镜图

  • 图 2 催化性能对比

  • 图 3 DFT 计算和反应机理

论文信息

  • Facet-dependent synthesis of H 2 O 2 from H 2 and O 2 over single Pt atom-modified Pd nanocrystal catalysts
    Ying Zhang, Qingdi Sun, Ziyue Wang, Guanghui Guo, Hao Liu, Xiaohui He* 何晓辉 ,中山大学) and Hongbing Ji* 纪红兵 ,中山大学、浙江工业大学)
    Chem. Sci. , 2024
    https://doi.org
    / 10.1039/D4SC01560F

作者简介

张颖 博士研究生
中山大学

本文第一作者,中山大学 2021 级博士研究生,主要研究方向为单原子催化设计及其在 H 2 O 2 直接合成、催化加氢/脱氢中的应用研究。曾以第一作者在 AIChE J.,Chem. Eng. J.,ACS Catal. 等国际顶级期刊发表多篇学术论文,申请中国发明专利 7 项,授权 5 项。







何晓辉 副教授
中山大学

本文通讯作者,中山大学副教授,广东省热敏性精细化学品合成与分离工程技术研究中心主任、中山大学精细化工研究院院长。主要从事单原子催化基础理论和产业化关键技术研究。以第一/通讯作者在 Nat. Commun.,Chem. Sci.,AIChE J.,ACS Catal. 等 SCI 期刊上发表 30 多篇论文,授权发明专利 10 余件。主持广东省自然科学基金杰出青年基金和国家自然科学基金面上项目等。兼职 ACS Catal. J. Catal. 等学术期刊审稿人,中国化工学会精细化工青年学者委员会委员、工业催化联盟青年工作委员会委员。







纪红兵 教授
中山大学/浙江工业大学
本文通讯作者,中山大学、浙江工业大学教授,博士生导师,浙江绿色石化与轻烃转化研究院院长。中国化工学会会士,国家重点研发计划首席科学家。主要从事绿色化工技术、环境友好催化过程及化工园区管理等方面研究。2014 年国家自然科学基金杰出青年基金获得者、2015 年广东省“珠江学者”特聘教授和科技部中青年科技创新领军人才、2016 年荣获国家级人才称号、2017 年”广东特支计划“杰出人才、广东省丁颖科技奖、国家”万人计划“科技创新领军人才、国家百千万人才、2020 年石油和化学工业联合会”全国石油和化工优秀科技工作者“、2021 年全民科学素质工作先进个人、广东”最美科技工作者“、广东省石油和化学工业协会突出贡献奖。在 Nat. Commun., ACS Catal., Chem. Eng. J., AICHE J., Chem. Sci. 等国内外高水平学术期刊发表论文 560 余篇,完成专业著作 5 本,科普著作 4 本;已授权专利 150 余件;团队长期致力于仿生催化、多相催化、均相催化、光热电协同催化、纳米/亚纳米/单原子催化剂工程、化工新型分离、有机污染物的吸附和降解、功能性超分子聚合物、过程强化、精细化工新材料、化工园区管理等相关领域应用基础研究及应用开发,近年来的研究开发工作处于国际先进,部分成果达到国际领先水平,已有多项技术成果实现产业应用。

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