江南大学刘小浩团队ACB：磷的亲氧性强化C-O键解离助力CO2加氢从甲醇到乙醇可切换合成

近日，江南大学化工学院刘小浩教授（点击查看介绍）团队在构建P-Rh位对（Site Pair）活性中心高效催化CO₂加氢制乙醇的研究工作中取得重要进展，这一研究成果在催化领域权威期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy 上发表。该论文化工学院博士研究生郑珂为第一作者，刘小浩教授为通讯作者。

随着人们对全球变暖和可持续发展的日益关注，将温室气体二氧化碳通过加氢转化为高价值燃料和化学品对于实现碳中和与促进循环经济发展具有重要的现实意义。然而，由于CO₂是一种热力学稳定且化学惰性的反应物分子，反应过程中可形成多种中间体，它们之间定向偶联形成更高碳数的单一产物极具挑战。

单原子催化剂（SACs）由于其完全暴露的活性位点和100%原子利用率，在多相催化研究领域中引起研究者极大兴趣。金属有机框架（MOF）及其衍生的碳纳米材料具有严格的金属离子和有机配体的周期性分布，通过将其分子孔道作为“笼”来封装和锚定金属活性位点，可实现活性金属的原子级分散。锌基沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）是一种经典的MOF材料，具有丰富的孔笼和可控的孔结构，使其有望成为制备单原子催化剂的模板。ZIF-8在惰性气氛中经高温焙烧后，可转化为氮掺杂的多孔碳材料。金属位点作为反应物活化和中间物种吸附位点，在碳基材料中引入杂原子可影响金属位点电子性质和其配位环境，杂原子也可参与反应物或中间物种的吸附活化，从而调控催化反应性能。根据文献调研，到目前为止，尚未有“非金属-金属位对活性中心（Nonmetal-Metal Site-Pair Active Sites）”应用于CO₂加氢制乙醇的研究报道。

近日，江南大学化工学院刘小浩教授团队基于MOF材料有利于分散金属活性位点的优势，报道了一种新型铑基单原子催化剂。催化剂的合成过程为：将ZIF-8和Rh前驱体混合，利用MOF能够提供周期性分布空心笼的特点，通过微孔空间限域效应，将三苯基膦（PPh₃）原位封装在ZIF-8的笼中。ZIF-8作为模板和含氮碳源，在惰性气氛下经高温热解后，磷取代原子分散的Rh-N₄位点中的N，形成Rh-N₃P₁位点。通过这一简单策略，可以精准地调节Rh活性金属位点的配位结构和电子性质。

图1. 催化反应性能结果

图2. 催化剂活化C-O键解离能力（甲醇、乙醇和丙醇作为反应底物）对比结果

实验、表征和理论计算结果表明：（1）Rh-N₃P₁位点在催化CO₂加氢制乙醇的反应中具有优异的催化性能（TOF=420.7 h^-1），优于绝大多数文献报道结果。（2）Rh-N₄位点对甲醇表现出高选择性（91.3%），通过简单的磷取代（Rh-N₃P₁）不但大幅增加了反应活性，而且实现了反应产物从甲醇到乙醇（81.8%）的可切换合成。（3）Rh-N₃P₁位点上优异的CO₂反应活性和乙醇选择性可归因于Rh-P位点对的存在，其中P原子对CH₃OH*中的O原子表现出强亲和力，P的强给电子能力削弱了C-O键，有利于CH₃*的形成以及随后的CH₃*和CO*之间的C-C偶联形成乙醇。相比较而言，Rh-N₄位点难以有效活化解离C-O键，因此产物以甲醇为主。本工作为CO₂加氢高活性、高选择性合成乙醇提出了全新的位对（Site Pair）催化体系，强化了双位点之间的协同催化作用，为指导设计其它高效位点对催化体系，从而解决反应过程中存在的问题提供了新的思路。

图3. CO₂加氢生成乙醇的反应机理

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目课题（2023YFB4103201）、国家自然科学基金（22379053, 21878127）和中国博士后科学基金（2022M711358）的资助。

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Phosphorus-substituted Atomically Dispersed Rh-N₃P₁ Sites for Efficient Promotion in CO₂ Hydrogenation towards Ethanol Production

Ke Zheng, Yufeng Li, Bing Liu, Jie Chen, Yuebing Xu, Zaijun Li, Xiaohao Liu*

Appl. Catal. B Environ. Energy, 2024, 346, 123730, DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.123730

导师介绍

刘小浩

https://www.x-mol.com/university/faculty/38068