我國首次將新型鎳基單原子催化劑應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)

央廣網(wǎng)大連6月6日消息（記者張四清 賈鐵生 通訊員劉文剛）生物質(zhì)作為一種可再生碳資源，將其轉(zhuǎn)化為多元醇、芳烴、烷烴等高附加值化學(xué)品具有重要意義。鎳基催化劑在生物質(zhì)的加氫、加氫裂解和加氫脫氧等反應(yīng)中已被證明具有高催化活性。然而，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)介質(zhì)中（強(qiáng)酸、高溫、水熱），大部分鎳基催化劑并不能夠穩(wěn)定存在，這主要是由于低價(jià)態(tài)鎳基催化活性物種在酸溶液中容易發(fā)生溶解、流失以及聚集長大等過程，從而導(dǎo)致催化劑失去活性。該缺點(diǎn)也成為了限制鎳基催化劑應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中巨大的障礙。因此，急需發(fā)展一種新型耐酸穩(wěn)定的鎳基催化劑并用于生物質(zhì)加氫領(lǐng)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(tuán)隊(duì)在長期從事單原子催化劑和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究基礎(chǔ)上，首次將高金屬載量的鎳-氮-碳（Ni-N-C）單原子催化劑應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中并取得重要進(jìn)展。相關(guān)工作以通訊形式發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被選為熱點(diǎn)文章（Hot paper）。

該研究團(tuán)隊(duì)制備了鎳載量高達(dá)7.5 wt%的Ni-N-C單原子催化劑，并應(yīng)用于纖維素轉(zhuǎn)化制備多元醇反應(yīng)。對比活性炭負(fù)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(qiáng)酸、高溫水熱的苛刻條件下，表現(xiàn)出很好的耐久性，催化劑可循環(huán)7次以上且未見明顯的活性降低和單原子聚集長大。通過深入表征，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(gè)吡啶態(tài)氮配位形成扭曲的準(zhǔn)平面 Ni-N4基團(tuán)，同時(shí)第五個(gè)吡啶態(tài)氮在縱軸方向弱吸附于鎳中心形成Ni-N5結(jié)構(gòu)，氫氣分子可在該活性中心上進(jìn)行有效活化。該進(jìn)展對于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)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(xué)品具有重要的借鑒意義。

上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。