近(jin)日，我系黃偉新教(jiao)授和武漢大學顧向奎研究員合作研究，發現小尺寸Cu₂O立(li)方體納米晶在丙烯(xi)空氣(qi)環氧(yang)化制環氧(yang)丙烷反應中表現出高選擇性，并明確(que)了(le)其Cu₂O{110}邊位是催(cui)化活性位和(he)理解了催(cui)化反應機(ji)理。研究成(cheng)果以“Fine cubic Cu₂O nanocrystals as highly selective catalyst for propylene epoxidation with molecular oxygen”為題發表(biao)在Nat. Commun.2021, 12,5921。

環(huan)氧(yang)丙(bing)烷(PO)是一種(zhong)高(gao)價值化工中間(jian)體。丙(bing)烯與O₂環(huan)氧(yang)化反(fan)應(ying)(ying)(ying)是(shi)最經濟和綠(lv)色的(de)PO生產途徑，但由于(yu)缺乏高效(xiao)催(cui)化劑(ji)，該反(fan)應(ying)(ying)(ying)也是(shi)最具挑戰性的(de)催(cui)化反(fan)應(ying)(ying)(ying)之一。銅(tong)基催(cui)化劑(ji)被(bei)廣泛研(yan)究(jiu)作(zuo)為丙烯空(kong)氣(qi)環(huan)氧(yang)化反(fan)應(ying)(ying)(ying)催(cui)化劑(ji)，但報道的(de)PO選擇(ze)性并(bing)不令人滿意。在前期(qi)研(yan)究(jiu)中(zhong)，188bet足球黃偉(wei)新教授團(tuan)隊(dui)發現Cu₂O{110}晶面是催(cui)化丙烯(xi)空氣環氧(yang)化反應(ying)的活性晶面（Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 4856），并觀察到小尺寸(cun)Cu₂O立(li)方體納(na)米晶具有高密度(du)Cu₂O{110}邊位，在CO氧化反應中起(qi)主要(yao)催(cui)化作用（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 4276）。基于上(shang)述基礎理(li)解，黃(huang)偉新教授團隊在本工(gong)作中設計了(le)平均尺(chi)寸(cun)為27 nm的Cu₂O立(li)方體納米晶用(yong)于丙(bing)烯空氣環(huan)氧(yang)化反應，獲(huo)得了80%以上的PO選擇(ze)性，并證實了其Cu₂O{110}邊位(wei)為生(sheng)成PO的活性位(wei)點(dian)。與此同時(shi)，發現了(le)溫度依(yi)賴(lai)的催化反應機理，在低反應溫度下，主要(yao)發生(sheng)Cu₂O{110}邊位(wei)催化的弱(ruo)吸(xi)附O₂物種為活性(xing)氧(yang)物種的低能(neng)壘Langmuir-Hinshelwood (LH)反(fan)應選擇性(xing)生成PO，但弱吸附O₂物種(zhong)在高反應溫度不穩定，則同時發生Cu₂O{110}邊(bian)位和Cu₂O{100}面(mian)位催(cui)化的(de)表面(mian)晶格氧(yang)為活(huo)性氧(yang)物種的(de)高能壘Mars-van Krevelen (MvK)反應分(fen)別生成(cheng)PO、丙烯醛和CO₂。該研究結果為丙烯空氣環氧(yang)化(hua)高效催化(hua)劑的(de)研制提供了新思路。

文章(zhang)第一(yi)作者是188bet足球博士研究生熊偉(wei)，共(gong)同第一(yi)作者是武漢大學顧向奎研究員。該項研究得到了國家自然科學基金(jin)委員會、中國科學院(yuan)、教育部(bu)、武漢大學等的支持。

論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41467-021-26257-0