近日，我系黃偉(wei)新教授和武漢(han)大(da)學顧向奎研(yan)究員合作研(yan)究，發現小尺寸(cun)Cu2O立方(fang)體納(na)米(mi)晶在丙烯(xi)空氣環(huan)氧(yang)化制環(huan)氧(yang)丙烷(wan)反(fan)應中表現出高選擇性(xing)，并明確了其Cu2O{110}邊位是催化活性位和理解(jie)了催化反應機理。研究成果以“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。
環氧丙烷(PO)是一種高價值化(hua)工中間體。丙烯與O2環(huan)氧化反(fan)(fan)應(ying)是(shi)最經濟和(he)綠色(se)的PO生產途徑，但由于缺乏高效催(cui)化劑，該反(fan)(fan)應(ying)也是(shi)最具挑戰(zhan)性(xing)的催(cui)化反(fan)(fan)應(ying)之一。銅基催(cui)化劑被廣泛研究作為丙烯空(kong)氣環(huan)氧化反(fan)(fan)應(ying)催(cui)化劑，但報道的PO選擇性(xing)并不令人滿意。在(zai)前期研究中(zhong)，188bet足球黃偉(wei)新(xin)教授團隊(dui)發現Cu2O{110}晶面是催化丙(bing)烯空氣環氧化反應的活性晶面（Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 4856），并觀察(cha)到(dao)小尺寸Cu2O立方體納米晶具(ju)有高密度Cu2O{110}邊位，在CO氧化反(fan)應中(zhong)起主(zhu)要催化作(zuo)用(yong)（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 4276）。基于上(shang)述基礎理解，黃偉(wei)新教(jiao)授團隊在本工作中(zhong)設計了(le)平均尺寸為27 nm的Cu2O立(li)方體納米晶用于丙烯(xi)空氣環氧(yang)化反(fan)應，獲得了80%以上的(de)PO選擇性，并證(zheng)實了其Cu2O{110}邊位(wei)為生(sheng)成PO的(de)活性位(wei)點(dian)。與此同時，發現(xian)了溫度(du)依(yi)賴的(de)催(cui)化反應機理，在(zai)低(di)反應溫度(du)下(xia)，主要發生(sheng)Cu2O{110}邊位(wei)催化的弱(ruo)吸(xi)附O2物種為活(huo)性氧物種的低能壘(lei)Langmuir-Hinshelwood (LH)反應選擇性生成PO，但弱吸附O2物(wu)種(zhong)在高反應溫(wen)度不穩定，則同時發生(sheng)Cu2O{110}邊(bian)位和Cu2O{100}面位催(cui)化的(de)表面晶格氧為活性氧物種的(de)高能(neng)壘Mars-van Krevelen (MvK)反應分別生成PO、丙(bing)烯醛和CO2。該研(yan)究結果為丙(bing)烯空(kong)氣(qi)環(huan)氧化高效(xiao)催化劑的(de)研(yan)制提(ti)供(gong)了新(xin)思路。
文章第一作者是188bet足球博士研究生熊偉，共同第一作者是武漢大(da)學(xue)(xue)顧向奎研究員(yuan)。該項(xiang)研究得(de)到了國(guo)(guo)家自然(ran)科(ke)學(xue)(xue)基金委員(yuan)會、中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)院(yuan)、教育部、武漢大(da)學(xue)(xue)等的(de)支持。
論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41467-021-26257-0