生物質作為一種可再生碳資源, 將其轉化為多元醇, 芳烴, 烷烴等高附加值化學品具有重要意義. 鎳基催化劑在生物質的加氫, 加氫裂解和加氫脫氧等反應中已被證明具有高催化活性. 然而, 在生物質轉化的反應介質中 (強酸, 高溫, 水熱) , 大部分鎳基催化劑並不能夠穩定存在, 這主要是由於低價態鎳基催化活性物種在酸溶液中容易發生溶解, 流失以及聚集長大等過程, 從而導致催化劑失去活性. 該缺點也成為了限制鎳基催化劑應用於生物質轉化反應中巨大的障礙. 因此, 急需發展一種新型耐酸穩定的鎳基催化劑並用於生物質加氫領域.
近日, 中科院大連化物所航天催化與新材料中心的王愛琴研究員, 張濤院士團隊在長期從事單原子催化劑和生物質轉化研究基礎上, 首次將高金屬載量的鎳-氮-碳 (Ni-N-C) 單原子催化劑應用於生物質轉化反應中並取得重要進展. 相關工作以通訊形式發表在《德國應用化學》 (Angew. Chem. Int. Ed.) 上, 並被選為熱點文章 (Hot paper) .
該研究團隊製備了鎳載量高達7.5 wt%的Ni-N-C單原子催化劑, 並應用於纖維素轉化製備多元醇反應. 對比活性炭負載的鎳納米顆粒催化劑 (Ni/AC), Ni-N-C單原子催化劑在高溫, 高壓, 強酸, 高溫水熱的苛刻條件下, 表現出很好的耐久性, 催化劑可迴圈7次以上且未見明顯的活性降低和單原子聚集長大. 通過深入表徵, 科研人員成功解析出了Ni-N-C單原子催化劑的活性中心為鎳單原子與4個吡啶態氮配位形成扭曲的准平面 Ni-N4基團, 同時第五個吡啶態氮在縱軸方向弱吸附於鎳中心形成Ni-N5結構, 氫氣分子可在該活性中心上進行有效活化. 該進展對於將生物質轉化成化妝品 (多元醇) , 聚酯纖維 (二元醇/二元酸/PX) , 航空煤油 (芳烴) 等高附加值化學品具有重要的借鑒意義.
上述研究工作得到國家自然科學基金委, 科技部, 中科院戰略性先導科技專項和教育部能源材料化學協同創新中心的資助.
