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科研进展

2021年10月27日
中国科大研制了丙烯空气环氧化制环氧丙烷高选择性催化剂

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心/化学与材料科学学院黄伟新教授和武汉大学顾向奎研究员合作研究,发现小尺寸Cu2O立方体纳米晶在丙烯空气环氧化制环氧丙烷反应中表现出高选择性,并明确了其Cu2O{110}边位是催化活性位和理解了催化反应机理。研究成果以“Fine cubic Cu2O nanocrystals as highly selective catalyst for propylene epoxidation with molecular oxygen”为题发表在Nat. Commun.2021, 12,5921。

环氧丙烷(PO)是一种高价值化工中间体。丙烯与O2环氧化反应是最经济和绿色的PO生产途径,但由于缺乏高效催化剂,该反应也是最具挑战性的催化反应之一。铜基催化剂被广泛研究作为丙烯空气环氧化反应催化剂,但报道的PO选择性并不令人满意。在前期研究中,中国科学技术大学黄伟新教授团队发现Cu2O{110}晶面是催化丙烯空气环氧化反应的活性晶面(Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 4856),并观察到小尺寸Cu2O立方体纳米晶具有高密度Cu2O{110}边位,在CO氧化反应中起主要催化作用(Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 4276)。基于上述基础理解,黄伟新教授团队在本工作中设计了平均尺寸为27 nm的Cu2O立方体纳米晶用于丙烯空气环氧化反应,获得了80%以上的PO选择性,并证实了其Cu2O{110}边位为生成PO的活性位点。与此同时,发现了温度依赖的催化反应机理,在低反应温度下,主要发生Cu2O{110}边位催化的弱吸附O2物种为活性氧物种的低能垒Langmuir-Hinshelwood (LH)反应选择性生成PO,但弱吸附O2物种在高反应温度不稳定,则同时发生Cu2O{110}边位和Cu2O{100}面位催化的表面晶格氧为活性氧物种的高能垒Mars-van Krevelen (MvK)反应分别生成PO、丙烯醛和CO2。该研究结果为丙烯空气环氧化高效催化剂的研制提供了新思路。

文章第一作者是中国科学技术大学博士研究生熊伟,共同第一作者是武汉大学顾向奎研究员。该项研究得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院、教育部、武汉大学等的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26257-0


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部)

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