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【Nature Chemistry】单原子看多了!抗积炭的单原子合金你有没有见过!—— Pt/Cu单...

2018-01-13  ___清茶一...

—秒懂全文—

以Pt/Cu单原子合金(SAAs)为催化剂能有效实现C-H的活化,且能够防止积炭。

—前言—

页岩气的开采对于缓解能源危机具有重要作用。但是页岩气中的短链的烷烃分子(乙烷和丙烷)由于其化学惰性,难以加工成高附加值的化工产品。传统工业中使用水汽重整来利用烷烃分子,但是其能源利用率低于60%。烷烃中的碳氢键活化(C-H),即通过直接脱氢的方法可以得到烯烃,进而加工成其他的精细化工品。在烷烃中活化C-H键能脱氢生产烯烃,而活化C-C则会导致积炭。如何防止催化剂在烷烃直接脱氢中的积炭问题是维持催化剂高活性和稳定性的重要研究方向。

研究思路:

1.       Ni和Pt具有很好的活化C-H的活性,但是它们也能催化C-C的断裂,从而形成积炭,导致催化剂失活;

2.       Cu比较难活化C-H,但是它具有抗积炭的作用;

那么在Cu上分散单原子的Pt,是否能同时实现C-H的活化且能防止积炭呢?

—图文快解—

图1(a and b)0.01 ML Pt/Cu(111)的STM图,Pt分布在Cu的台阶位和边缘区域;(c)不同催化剂的甲烷(实线)和乙烯的TPR曲线(虚线);(d)不同催化剂的TPR模拟曲线。

 

图2 Pt/Cu SAA甲烷活化的反应路径图及其活化能。

图3 Cu(111)和Pt/Cu SAA表面活化烷烃的中间体的STM图,表明C-H在Pt/Cu的活化温度要低于在Cu上的。

 

图4利用程序升温结合氘代丁烷表征催化剂C-H活化的活性以及催化剂的耐久性。

图5 催化剂表面的积炭测定。


参考文献: 1. NATURE CHEMISTRY DOI: 10.1038/NCHEM.2915

拓展文献:

1. Besenbacher, F. et al. Design of a surface alloy catalyst for steam reforming. Science 279, 19131915 (1998).

2. Lucci, F. R., Marcinkowski, M. D., Lawton, T. J. & Sykes, E. C. H. H2 activation and spillover on catalytically relevant PtCu single atom alloys. J. Phys. Chem. C 119, 2435124357 (2015).
3. Lucci, F. R.
et al. Selective hydrogenation of 1,3-butadiene on platinumcopper alloys at the single-atom limit.Nat. Commun. 6, 8550 (2015).
4. Lucci, F. R., Lawton, T. J., Pronschinske, A. & Sykes, E. C. H. Atomic scale surface structure of Pt/Cu(111) surface alloys.
J. Phys. Chem C. 118, 30153022 (2014)


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