近日，我校化工學院催化反應工程團隊在機理驅動的乙炔選擇性加氫催化劑活性位點設計領域取得新進展。相關成果以“Mechanism driven design of trimer Ni1Sb2 site delivering superior hydrogenation selectivity to ethylene”為題在線發表在《自然•通訊》（Nat.Commun.2022,13,5534）上。

設計和制備原子級分布的金屬活性位點、通過精確調控其上關鍵物種的吸附構型實現對目標產物選擇性的調控，是多相催化領域中新興的研究方向。以乙炔選擇性加氫為例，先前研究表明通過隔離活性位點（Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,11647）等策略可以實現目標產物乙烯的π-構型弱吸附，表現出顯著提升的加氫選擇性。與此同時，反應物乙炔的吸附構型也往往變為弱的π-構型吸附，從而降低了加氫活性。因此，若能充分利用與隔離活性位點成鍵的客體金屬位點，通過提出“魚與熊掌兼得”的加氫催化劑活性位點設計新策略，即設計具有空間和能量匹配的孤立多活性位點，同時實現反應物σ-構型吸附和產物的π-構型吸附，將有望解決乙炔加氫活性與乙烯選擇性的蹺蹺板難題。

為此，該研究團隊針對非貴金屬Ni基催化劑，通過理論計算研究發現當客體金屬電負性逐漸增加時，Ni位點的電子密度逐漸降低，其對應的加氫性能顯著提升，預示著高電負性客體金屬對Ni位點的修飾更為有利。與d區的客體金屬Zn相比，p區的客體金屬Ga和Sb與Ni位點存在顯著的d-p雜化現象。有趣的是，采用高電負性的p區金屬Sb隔離Ni位點時，電子轉移的方向發生了逆轉，即Ni位點的電子轉移至Sb位點。基于此，提出了通過具有富電子Sb位點孤立缺電子Ni位點的結構特征設計構筑Ni1Sb2三原子活性位點的新策略。理論計算結果表明Ni1Sb2三原子活性位點可以兼顧親電性乙炔的σ-構型吸附和親核性乙烯的π-構型吸附，促進乙炔選擇性加氫生成目標產物乙烯。

進一步，該團隊創新發展Ni原子原位捕獲熔融Sb的新策略，通過從NiMgAl水滑石（NiMgAl-LDH）中還原脫溶的Ni原子與熔融的Sb原子鍵合，生成的NiSb原子對在高溫條件下形成長程有序、結構穩定的NiSb金屬間化合物催化劑。通過球差電子顯微鏡和X射線吸收譜等表征技術對催化劑結構解析，證實了Ni1Sb2三原子活性位點的成功構筑。催化反應性能評價表明，NiSb催化劑在乙炔轉化率為100%的情況下，乙烯選擇性可達93.2%，表現出優異的催化加氫性能。

該論文第一作者為博士研究生葛小虎，通訊作者為化工學院催化反應工程團隊段學志教授、曹約強博士和上海交通大學劉晰教授。論文研究工作得到了袁渭康院士、周興貴教授等的悉心指導。此外，該研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金項目、上海市教委科研創新計劃自然科學重大項目、上海市科委科技創新行動計劃等項目的支持。