刘洪阳：原子级分散PtSn烷烃脱氢催化剂研究获进展

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中国科学院金属研究所沈阳材料国家研究中心联合研究部副研究员刘洪阳和研究生张家云等人组成的纳米碳材料负载金属催化剂研究小组与北京大学教授马丁、香港科技大学教授王宁等团队合作，通过金属铂（Pt）与富缺陷石墨烯载体之间相互作用的调控以及第二组分锡（Sn）的引入，在纳米金刚石/石墨烯碳载体上制备出原子级分散的全暴露Pt纳米团簇催化剂，进一步的研究发现该原子级分散的PtSn催化剂在催化正丁烷脱氢制烯烃中表现出优异的催化活性和稳定性。近日，《美国化学会-催化》(ACS Catalysis) 以封面的形式发表了该项研究成果（DOI：10.1021/acscatal.9b00601）。

　　低碳烯烃是生产橡胶、塑料和其他聚合物的重要化工原料。低碳烷烃的直接脱氢是典型的工业上烯烃生产工艺，它是一种吸热反应，需要较高的温度才能获得满意的转化率和烯烃收率。到目前为止，美国UOP公司开发的铂锡合金催化剂（Pt3Sn/Al2O3）被认为是该反应的最佳催化剂之一，但是由于在高温脱氢过程中商业Pt3Sn合金催化剂不可避免要发生烧结与积碳导致催化剂快速失活。同时，Pt3Sn合金催化剂只有表面Pt原子参与反应，Pt原子的利用率较低。因此，开发一种高分散、高稳定性的铂基催化剂是催化烷烃脱氢制烯烃的关键。

　　近年来刘洪阳带领的研究小组致力于新型纳米碳材料负载金属催化剂的设计与催化性能研究。经过多年的学术积累，他们首次利用纳米金刚石/石墨烯复合核壳材料（ND@G）为载体，制备出一种Sn辅助完全暴露的原子级分散Pt纳米团簇催化剂（a-PtSn/ND@G）。通过球差电镜表征（图1）并结合X射线吸收谱表征（图2），构建了平均三个Pt原子与富缺陷石墨烯载体配位成键的结构模型。该催化剂在较低反应温度450°C下获得良好的丁烷脱氢活性和稳定性，TOF是传统Pt3Sn合金催化剂的3.9倍，对烯烃产物的选择性达到98%以上（图3）。利用密度泛函理论（DFT）模拟计算研究发现，原子级分散的全暴露Pt纳米团簇保证了Pt原子的充分利用以及产物烯烃分子的最佳吸附/脱附行为（图4）。该项研究为开发高效工业脱氢制烯烃催化剂提供了新思路，正与企业合作开展进一步的应用研究。

　　上述工作得到国家基金委重大研究计划重点基金、国家基金委重大研究计划培育项目、国家基金委面上项目、科技部重点研发计划“纳米专项”青年科学家项目、中科院青年促进会、金属所、沈阳材料科学国家研究中心和中石化等企业项目的支持，以及上海同步辐射光源提供的大力支持。

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图1 原子级分散的a-PtSn/ND@G催化剂的球差HAADF-STEM 图像及EDX 分析

刘洪阳，现任中科院金属研究所沈阳材料科学国家实验室催化材料部，所优秀学者，课题组长。本科毕业于大连理工大学，目前已主持国家自然科学基金（3项）、国家科技部（2项）中科院以及中石化企业合作项目10余项，主要包括：国家自然科学基金委重大研究计划培育项目，国家自然科学基金委面上项目，国家自然科学基金委青年基金，国家科技部重点研发计划“纳米专项”青年科学家项目课题负责人，中科院青年促进会人才项目，中科院金属所“所优秀学者”引进人才项目，中石化企业合作项目等。目前在Science, Energy Environ. Sci., ACS Nano, Angew. Chem. Int. Ed., Small, J. Mater. Chem. A., ChemSusChem等国际期刊发表SCI论文70余篇，第一作者和通讯作者40余篇，他引次数达1500余次，申请与授权专利11项。目前担任杂志Journal of Energy Chemistry编委，中国材料研究学会青年委员会理事，中国科学院青年促进会成员，辽宁省“百千万人才工程”。

马丁，北京大学，化学与分子工程学院，研究员。1996年四川大学化学系物理化学专业毕业。2001年获中国科学院大连化学物理研究所理学博士学位，2000年美国国家高场实验室访问学生，2001-2005年牛津大学和Bristol大学博士后研究。2005年入选中国科学院“百人计划”，大连化学物理研究所催化基础国家重点研究室副研究员，2007年晋升研究员。2009年，北京大学化学与分子工程学院先进催化课题组组长，研究员，博士生导师。主要从事合成气转化、水活化、烃类选择转化和催化原位表征技术等方面研究，在费托合成、双金属催化体系、催化机理研究等方面取得了系列进展。发表SCI论文160余篇，他引4800余次，h-index 40。纳米催化项目获得2009年度辽宁省自然科学一等奖。获得2014年度北京大学王选青年学者奖，2014年度北京大学青年教师教学比赛一等奖。2014年度应邀担任英国皇家化学会期刊Catalysis Science & Technology副主编。2016年入选英国皇家化学会会士(Fellow of Royal Society of Chemistry)。已在国际学术刊物Science、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Sci Rep、ACS Catal、Appl Catal B: Environ等发表论文180篇。