新进展||华东师范大学李晓红团队iScience | Cu@CSiO：高效、稳定的碳酸乙烯酯连续加氢反应催化剂

华东师范大学李晓红团队设计Cu@C/SiO2催化剂，实现碳酸乙烯酯高效稳定连续加氢反应华东师范大学李晓红课题组成功设计了一种长期稳定且具有自还原特性的Cu@C/SiO2催化剂，该催化剂在碳酸乙烯酯连续加氢制备甲醇和乙二醇的反应中表现出优异的性能。一、催化剂设计与制备李晓红团队采用改进的蒸氨法制备了山梨醇（sorbitol）包覆的Cu纳米粒子Cu@sorbitol/SiO2前驱体。在N2气氛下对前驱体进行焙烧，山梨醇分解为CO和CO2，原位产生的CO不仅将Cu2+还原为Cu0/Cu+，而且通过CO歧化反应在Cu粒子表面形成碳覆盖层，从而制得Cu@C/SiO2催化剂。二、催化性能与稳定性在氢酯比（H2/EC）为20的条件下，该催化剂展现了91%的甲醇产率和98%的乙二醇产率，转换频率（TOF）可达43.6 h-1。更为重要的是，在736 h的长期运行测试中，该催化剂没有表现出失活迹象，甲醇产率始终保持在91%，乙二醇产率保持在98%。三、催化剂结构与表征XRD分析：焙烧后的Cu@C/SiO2催化剂中Cu0和Cu+物种共存，表明在N2气氛焙烧过程中Cu2+物种已被还原为Cu0/Cu+物种。而未加山梨醇的对比催化剂Cu/SiO2焙烧后主要以硅酸Cu物种存在，经H2还原后才显示出Cu和Cu2O相的衍射峰。TPD-MS与TG分析：在氮气氛围下山梨醇在350 ℃以下完全分解，产物为CO和CO2，且没有产生任何固体残留物。HRTEM分析：Cu/SiO2和Cu@C/SiO2催化剂具有相当的Cu纳米颗粒尺寸，但Cu@C/SiO2催化剂表面的Cu纳米颗粒被一层薄膜所覆盖，这层薄膜即为石墨化的碳覆盖层。XPS与Raman光谱分析：相比还原后的Cu/SiO2催化剂，焙烧后的Cu@C/SiO2催化剂C1s的峰强度显著增强，且主峰的结合能高于表面污染碳杂质的结合能，证实了催化剂表面存在碳层。Raman光谱表征进一步证实了焙烧后的Cu@C/SiO2表面存在高度石墨化的碳覆盖层。四、催化机制探讨碳覆盖层的作用：石墨化的碳覆盖层不仅抑制了Cu纳米颗粒的烧结，而且稳定了催化剂表面的Cu+物种。同时，碳覆盖层与催化剂表面Cu0和Cu+位点之间的协同作用有利于碳酸乙烯酯的吸附和活化，促进了加氢反应。Cu+-O-C物种的形成：Cu与石墨化的碳覆盖层之间的相互作用可能形成了Cu+-O-C物种，这种物种有助于提高碳酸乙烯酯的吸附活化和加氢性能。五、结论与展望李晓红团队设计的Cu@C/SiO2催化剂在碳酸乙烯酯连续加氢反应中表现出高效、稳定的性能。该催化剂的成功制备为二氧化碳的高效间接转化和利用提供了新的途径。未来，该团队将继续深入研究催化剂的构效关系，进一步优化催化剂性能，推动其在工业领域的应用。