乙烯作為重要的基礎化工原料，其純度直接影響乙烯下游高附加值化學品的生產。由石油裂解制備的乙烯中，通常含有0.5 ~ 2 vol.%的乙炔雜質，乙炔會毒化后續乙烯聚合反應的催化劑。因此，乙炔雜質的脫除是乙烯聚合工業中的關鍵環節。利用乙炔催化加氫將乙炔轉化為乙烯，是去除乙炔雜質的重要手段。目前工業上使用的鈀銀（PdAg）合金加氫催化劑存在乙烯選擇性低、乙烯易過度加氫生成乙烷或綠油等問題。此外，貴金屬Pd催化劑會增加催化劑使用成本。因此，開發高性能、低成本乙炔加氫催化劑具有重要意義。
銅(Cu)作為一種儲量豐富、價格低廉的過渡金屬，對乙炔加氫展現出催化活性，研究團隊在前期工作中發現，Cu單原子有利于產物乙烯脫附，可實現高乙烯選擇性和最大化的金屬原子利用率 (Nat. Commun. 2019,?10,?4431.)。然而，相比于貴金屬Pd催化劑，Cu自身的氫解離能力較弱，催化乙炔完全轉化仍需較高的反應溫度（＞200 ℃），實現高活性、高選擇性Cu催化乙炔加氫仍是一個挑戰。
針對這一挑戰，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉洪陽研究員和博士研究生隋成荃與北京大學馬丁教授、重慶大學孫耿副教授等團隊合作，成功構建一種亞納米全暴露Cu團簇與Ru單原子協同催化的雙金屬催化劑，實現了高活性、高選擇性催化乙炔加氫。制備的Ru1Cun/SiO2催化劑在170 ℃下實現了100%乙炔轉化率和97.6%乙烯選擇性，顯著降低乙炔完全轉化的溫度，加氫活性達34.02 molC2H2/(molCu·h)，分別是單金屬Cu團簇和Cu單原子催化劑的5.3和52.3倍。氫氘交換實驗證明， Ru單原子的引入可明顯提高RuCu催化劑的加氫活性，氫氣解離溫度由83 ℃降低至47 ℃。結合譜學表征與 DFT 理論計算，揭示了單原子Ru 與全暴露 Cu 團簇協同催化乙炔加氫的催化機理。在單金屬Cu團簇催化劑上，H2 的解離需要克服 1.31 eV 的自由能壘，說明單Cu團簇對 H2 活化能力有限。而在雙金屬RuCu催化劑中，Ru單原子作為氫活化中心實現高效解離H2，Cu團簇作為乙炔吸附和活化的位點。該工作通過原子級精準設計構建了Cu團簇與金屬Ru單原子協同催化體系，解決了單金屬Cu因加氫活性不足而存在的活性與選擇性難以兼顧的挑戰，為開發高效乙炔加氫催化劑提供了新思路。近日，相關研究成果以“Fully Exposed Cu Clusters with Ru Single Atoms Synergy for High-Performance Acetylene Semihydrogenation”為題發表于《Journal of the American Chemical Society》。
以上工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國家高層次人才項目、中國博士后科學基金、中國科學院大科學裝置建制化項目與中國石化、中國中化等企業合作項目提供的支持，以及北京同步輻射光源的大力支持。
全文鏈接
圖1. (a-b) 催化劑的Ru K邊 XANES和EXAFS表征結果，(c-d) 催化劑的Cu K邊 XANES和EXAFS表征結果。
圖2. 催化劑乙炔加氫性能，(a) 乙炔轉化率和乙烯選擇性隨反應溫度變化，(b) 催化劑加氫活性和乙烯產率的比較，(c) 表觀活化能測定結果，(d) 催化劑穩定性能測試，(e) 與其它已報道乙炔選擇性加氫催化劑的性能比較。
圖3. 單金屬Cu團簇催化劑和雙金屬RuCu催化劑上乙炔選擇性加氫反應的吉布斯自由能圖以及關鍵中間體結構。
圖4. 全暴露Cu團簇與Ru單原子協同催化乙炔選擇性加氫示意圖。
AI讀進展：科學家開發新型銅-釕催化劑，高效凈化乙烯生產中的關鍵雜質
核心進展：中國科學家團隊成功研發出一種新型催化劑，能夠更高效、更精準地將乙烯原料中的有害雜質——乙炔——轉化為有用的乙烯。這種催化劑由微小的“銅原子團”和高度分散的“釕單原子”協同工作，性能遠超目前工業上使用的貴金屬催化劑。
背景：
1.乙烯的重要性：乙烯是生產塑料、化纖等無數高附加值化工產品的基礎原料，堪稱現代化學工業的“基石”。
2.乙炔雜質的危害：石油裂解生產乙烯時，不可避免地會混入少量（0.5%-2%）的乙炔雜質。乙炔就像“毒藥”一樣，會使后續將乙烯聚合成塑料的催化劑中毒失效。
3.現有技術的痛點：目前工業上常用含昂貴鈀(Pd)的鈀銀（PdAg）合金催化劑來去除乙炔（將其加氫變成乙烯）。但這種方法存在明顯缺點：
- 選擇性差：容易把需要的乙烯也過度加氫變成無用的乙烷，或者生成黏糊糊的副產物“綠油”。
- 成本高：依賴貴金屬鈀。
4.銅催化劑的潛力與局限：銅(Cu)便宜且儲量豐富，本身具有一定的乙炔加氫活性，并且銅催化劑對目標產物乙烯有很高的選擇性（不易過度加氫）。但銅有個致命弱點——活化氫氣的能力很弱。這導致它需要很高的反應溫度（超過200°C）才能完全轉化乙炔，能耗高且實際應用困難。
新突破：
為了解決銅催化劑“力氣不足”（活化氫氣能力弱）的問題，中國科學院金屬研究所劉洪陽團隊聯合北京大學馬丁團隊、重慶大學孫耿團隊，設計并制備了一種新型雙金屬催化劑：Ru?Cu?/SiO?。
- 結構巧妙：催化劑由兩部分組成：
- 完全暴露的銅原子團 (亞納米Cu團簇)：非常微小的銅原子集合體（尺寸在1納米以下），幾乎每個銅原子都能參與反應。
- 高度分散的釕單原子 (Ru單原子)：單個釕原子均勻地分布在催化劑載體（二氧化硅SiO?）上。
- 協同作戰：
- 釕單原子是“氫氣活化高手”：它負責高效地“劈開”氫分子(H?)，提供加氫反應所需的活性氫原子。
- 銅原子團是“乙炔捕捉手”：它擅長吸附并活化乙炔分子，同時保持對乙烯產物的高選擇性（讓乙烯容易脫附，避免被過度加氫）。
- 性能卓越 (在170°C下測試)：
- 轉化率100%：乙炔被完全轉化掉。
- 選擇性97.6%：幾乎所有的乙炔都轉化成了我們想要的乙烯，極少生成乙烷或綠油。
- 活性超高：催化劑的加氫效率達到驚人的 34.02 摩爾乙炔/(摩爾銅·小時)。這分別是純銅原子團催化劑的5.3倍和銅單原子催化劑的52.3倍！
- 溫度大幅降低：在更溫和的170°C就能實現乙炔完全轉化，比之前純銅催化劑所需溫度（>200°C）顯著降低了30°C以上。
- 關鍵證據：通過氫氘交換實驗發現，釕單原子的加入，大大提高了催化劑活化氫氣的能力，將氫氣開始解離的溫度從83°C降到了47°C。
- 理論揭秘：結合先進的譜學分析和計算機模擬(DFT計算)，科學家們看清了協同機理：
- 在純銅團簇上，活化氫氣需要克服很高的能量障礙（1.31 eV）。
- 而在釕-銅雙金屬催化劑上，釕原子輕松活化氫氣，產生的活性氫原子迅速遷移到鄰近的銅團簇上，與吸附在那里的乙炔反應生成乙烯。
意義：
這項研究通過原子級別的精準設計（讓銅原子團充分暴露、讓釕以單原子形式存在），巧妙地組合兩種金屬的優勢（釕活化氫+銅吸附乙炔和高選擇性），解決了困擾銅催化劑的“活性不足”難題，實現了高活性與高選擇性的完美兼顧。這為開發下一代低成本、高效率的乙炔加氫催化劑提供了全新的思路，有望推動乙烯生產工業的綠色化與降本增效。
發表：
這項重要研究成果已發表在國際頂級化學期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society,?JACS) 上，標題為“完全暴露的銅團簇與釕單原子協同用于高性能乙炔半加氫”。
簡單來說：
科學家們像組裝精密機器一樣，用便宜的銅做“主體”負責抓乙炔和保證產物純凈，用極少量昂貴的釕做“發動機”負責提供氫動力，兩者緊密配合，造出了一個又快又好又省錢的“乙炔清除器”，大大優化了乙烯的生產過程。
聲明：“AI讀進展”內容由人工智能技術生成，其內容旨在輔助讀者初步了解相關領域研究動態，不代表中國科學院金屬研究所正式學術觀點或完整研究成果，不作為學術論證依據。
文檔附件
