长春应化所张洪杰/宋术岩/汪啸团队Angew：稀土分子筛负载的Pt催化剂用于塑料加氢裂解

塑料制品的广泛使用极大地促进了社会的发展，同时也带来了严重的环境和公共卫生问题。因此，塑料废弃物的化学升级利用已成为当今的研究热点。近年来，金属/酸双功能催化剂驱动的加氢裂化（Hydrocracking）新途径引起了研究人员的广泛关注，该方法集热解（Pyrolysis）和氢解（Hydrogenolysis）的优点于一体，反应条件温和、反应速率快、产物异构化程度高。从本质上讲，此反应为串联反应，包括金属位点的（脱）氢化反应和酸位点的烷烃异构化和裂解反应两步。然而，由于酸位点诱导C-C断裂的反应动力学缓慢，该反应仍然存在金属-酸平衡不匹配的问题，因此提高酸位点反应性具有重要意义。

众所周知，Y型沸石孔径大（~7.4 Å），酸位点多，在流体催化裂化（FCC）中被广泛应用。文献表明，将稀土（如Ce、La）掺入Y型沸石（称为REY）中，不仅可以增强骨架的热稳定性和水热稳定性，还可以增加酸位点的数量和强度。基于此，REY将是升级现有废塑料加氢裂化催化剂的可行选择。然而，与之相关的化学研究进展缓慢。

为解决上述问题，中国科学院长春应用化学研究所张洪杰/宋术岩/汪啸团队报道了一种高性能的加氢裂化催化剂，通过在Pt/HY催化剂中引入原子级Ce作为促进剂来提高酸位点的反应性，从而实现更好的金属-酸平衡。在300 °C下，Pt/5Ce-HY催化剂2小时内可以将低密度聚乙烯（LDPE）塑料完全转化，并实现对液体燃料80.9%的选择性。相比之下，Pt/HY催化剂的LDPE转化率仅为38.8%，液体燃料选择性为21.3%（图2）。

图1. Pt/5Ce-HY的结构精细表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

如图1所示，通过球差校正高分辨透射电子显微镜（STEM）研究了活性金属Pt和Ce的存在状态，结果显示Pt与Ce均匀分散在HY载体表面，HY表面出现部分亮点可归属为Pt纳米粒子，但Ce并未被直接观察到。随后通过同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和X射线粉末衍射（XRD）证明Ce以单原子的形式分散在HY分子筛孔道里，并且每个Ce原子都与6个靠近的框架氧原子配位。

图2. 加氢裂解催化性能表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图3. 结构-性能关系的综合研究。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

如图3所示，进一步通过改变HY中的Ce物种数量、吡啶吸附红外（Py-IR）和C16-程序升温脱附（C16-TPD）等实验，确定了占据在Y分子筛超笼中的Ce物种为实际活性位点，它们通过显著增强对短链中间体的吸附能力，加速了分子筛孔道内C-C二次裂解速度，从而促进反应进行（图4）。此类引入稀土作为促进剂的策略可能会对未来设计和制造更先进的塑料废物升级催化剂提供帮助。

图4. Pt/5Ce-HY的潜在催化机理示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章通讯作者是中国科学院长春应化所的张洪杰院士、宋术岩研究员和汪啸研究员；文章第一作者是吴雪婷博士。

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Polyethylene Upgrading to Liquid Fuels Boosted by Atomic Ce Promoters

Xueting Wu, Xiao Wang, Lingling Zhang, Xiaomei Wang, Shuyan Song, Hongjie Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202317594

导师介绍

张洪杰研究员简介：博士生导师，中科院院士，发展中国家科学院院士，国家973项目首席科学家。1978年毕业于北京大学化学系，1985年在应化所获硕士学位，1993年在法国波尔多第一大学获固体化学、材料科学博士学位。1997年获国家杰出青年基金；2013年当选中科院院士；2015年当选发展中国家科学院院士。长期从事稀土功能材料的研究，以材料的结构与功能关系为研究重点，发展了系列材料制备的新方法和技术，合成了多种稀土新材料已成功地在照明、汽车、航天航空及国家安全等领域获得了应用，满足了国家战略需求。已等期刊发表SCI收录论文400多篇，被他人正面引用20000多次。已获授权发明专利70余项。出版专编著3部。以第一完成人获国家自然科学二等奖（2010年）、中科院杰出科技成就奖（2015年）、吉林省政府科学技术特殊贡献奖（2015年）、吉林省政府创新创业人才奖（2012年）、吉林省技术发明一等奖（2013年）、吉林省科技进步一等奖（2009年）和卢嘉锡化学奖（2019年）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26817 

宋术岩研究员简介：博士生导师，国家杰青，稀土资源利用国家重点实验室副主任。主要从事无机纳米催化材料的设计合成及性能调控的研究。以第一作者或通讯联系人身份已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Adv. Energy Mater.、Chem. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.等期刊发表SCI收录论文100余篇。2009年获得吉林省自然科学学术成果一等奖（排名第一）；2015年获中国科学院杰出科技成就集体奖（排名第八）；2015年首批入选中国科学院青年创新促进会优秀会员；2018年获中国石油和化学工业联合会科学技术一等奖（排名第二）；2018年入选中国化学会青年化学工作者委员会委员；2021年获得第十六届吉林省青年科技奖特别奖。现担任Chinese Chemical Letters与应用化学副编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/90998 

汪啸研究员简介：博士生导师，入选国家级青年人才项目，吉林省长白山学者特聘青年拔尖人才。2013年在中科院长春应化所获得理学博士学位，导师为张洪杰院士。2017年起先后在新加坡、美国和韩国开展博士后研究。2021年1月入职中科院长春应化所。研究方向为稀土催化材料的表界面调控与新型催化反应路径构建。现担任Chinese Chemical Letters编委，Nano Research、应用化学与稀土学报青年编委。

https://www.x-mol.com/groups/RE_Catal