傳統(tǒng)上，在較為苛刻的反應(yīng)條件下（140-180 ℃，4 MPa H2），先用Cu-Cr催化劑催化糠醛得到糠醇中間體，然后通過(guò)貴金屬催化劑催化糠醇加氫得到四氫糠醇。為了簡(jiǎn)化該加氫反應(yīng)過(guò)程并提高原子可用性，研究人員一直致力于開(kāi)發(fā)新型高效的催化劑，可以直接從糠醛一步制備四氫糠醇。雖然貴金屬基催化劑取得了優(yōu)異的性能，但其高昂的成本和稀缺的儲(chǔ)量阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。許多報(bào)道表明，金屬鎳能夠同時(shí)吸附并活化呋喃環(huán)和羰基，從而高選擇性的生成四氫糠醇。然而，關(guān)于催化劑內(nèi)在結(jié)構(gòu)（如活性位點(diǎn)以及金屬暴露晶面）與反應(yīng)物分子相互作用的機(jī)理仍然缺乏細(xì)致的研究。
齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部氫電能源材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)深入研究了鎳基催化劑中表面氧化鎳物種與暴露晶面對(duì)反應(yīng)物糠醛分子與氫氣分子的吸附影響，并揭示出表面氧化鎳物種與Ni（200）晶面協(xié)同活化呋喃環(huán)，是糠醛分子全加氫反應(yīng)能夠進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。作者以二維納米片自組裝的三維花簇狀Ni-BDC為自犧牲模板，在不同熱處理溫度下制備了Ni/C-T催化劑。通過(guò)XPS和XAS測(cè)試證實(shí)了Ni/C-400樣品中存在豐富的表面NiO物種。此外，糠醛/糠醇-程序升溫脫附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，Ni/C-400樣品與反應(yīng)物具有較強(qiáng)的吸附相互作用，在80 ℃、1 MPa的氫氣壓力條件下反應(yīng)4 h，四氫糠醇的產(chǎn)率達(dá)到98.5%。通過(guò)理論計(jì)算表明，表面NiO物種與Ni（200）晶面協(xié)同，增強(qiáng)Ni表面與糠醛、糠醇、H2分子間的吸附相互作用。該研究表明，Ni金屬微觀結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)對(duì)反應(yīng)物的吸附能力有極其顯著的影響，從而影響加氫反應(yīng)的活性。在該工作中，團(tuán)隊(duì)提出和證實(shí)了Ni-MOF衍生的鎳碳材料的表面氧化鎳物種是高效催化糠醛加氫制四氫糠醇的催化活性位點(diǎn)，突破了現(xiàn)有鎳基催化劑糠醛加氫的催化活性理論，是非常重要和有意義的成果！
圖1 表面NiO物種和Ni（200）晶面相互協(xié)同促進(jìn)糠醛一步轉(zhuǎn)化為四氫糠醇
上述成果以“Highly-dispersed surface NiO species and exposed Ni (200) facets facilitating activation of furan ring for high-efficiency total hydrogenation of furfural”為題，發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF：22.1）上。齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生付秋菊為文章的第一作者，趙學(xué)波教授、閆理停副教授為文章的共同通訊作者。
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、濟(jì)南市人才發(fā)展專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123501