Nature Catalysis: 乙炔高效半加氢

作者信息

第一作者：Jordi Ballesteros-Soberanas

通讯作者：Donatella Armentano, Emilio Pardo, Antonio Leyva-Pérez

通讯单位：瓦伦西亚大学、加的斯大学等

成果速览

本研究展示了一种定义明确的Pd1-Au1二聚体，锚定在金属-有机框架（MOF）的壁上，能够在模拟工业前端反应条件下，选择性地将乙炔半加氢为乙烯，转化率≥99.99%（乙炔≤1 ppm）且选择性>90%。

反应在35°C甚至更低的温度下进行，操作窗口>100°C，重量小时空间速度（WHSV）为66,000 ml g^-1 cat h^-1，符合工业规格。实验和计算机制研究显示，两个原子之间的协同作用以及与支撑材料的相互作用，实现了乙炔的无障碍半加氢。

图文导读

图1：展示了Pd1-Au1二聚体在MOF中形成的过程，以及通过X射线晶体结构测定得到的Pd1Au1@1的结构细节。

图2：展示了使用Pd1Au1@1作为催化剂进行乙炔半加氢反应的催化实验结果。

图3：提供了Pd1Au1@1和Pd1@1的实验机理证据。

图4：理论计算提供了乙炔加氢反应的最可能的中间体和提出的机制。

亮点介绍

1. Pd1-Au1二聚体催化剂在极低的活化能（约1 kcal/mol）下实现了乙炔的高效半加氢，转化率超过99.99%，且乙烯选择性高于90%。

2. 催化剂在35°C至150°C的温度范围内均表现出优异的催化活性，且在工业相关操作条件下具有较长的稳定性。

3. 通过结合实验和计算研究，揭示了Pd1-Au1二聚体与MOF之间协同作用的机制，为工业反应提供了新的催化策略。

4. 该研究提供了一种新型的高分散、高金属负载的催化剂设计方法，有助于推动石化工业中关键反应的能效提升。

计算模拟

在本论文中，作者进行了详细的计算化学研究，以支持和解释实验观察到的催化行为。通过使用密度泛函理论（DFT）计算，研究人员对Pd1-Au1二聚体在MOF中的催化活性位点进行了优化，并探究了其电子结构。这些计算帮助确定了最稳定的Pd1-Au1二聚体结构，并预测了其与MOF中硫醚基团的相互作用。

文献信息

标题：A MOF-supported Pd1–Au1 dimer catalyses the semihydrogenation reaction of acetylene in ethylene with a nearly barrierless activation energy

期刊：Nature CatalysisDOI：10.1038/s41929-024-01130-7