中國科大提出高熵合金催化劑定向合成新策略

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授課題組在高熵合金催化劑的設(shè)計制備領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究人員提出了一種基于合金化效應(yīng)設(shè)計、制備用于丙烷脫氫的高熵合金催化劑的方法，通過金屬助劑的逐步引入與合金化效應(yīng)的平衡，構(gòu)筑出表面富集孤立鉑位點(diǎn)的高熵合金催化劑。該催化劑對丙烷脫氫反應(yīng)展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，尤其具有超高的丙烯生成速率。相關(guān)成果以“Progressive fabrication of a Pt-based high-entropy-alloy catalyst toward highly efficient propane dehydrogenation”為題發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,e202419093）。

高熵合金因其巨大的組成空間、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的穩(wěn)定性，展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)單金屬或二元合金的催化性能，成為多相催化領(lǐng)域的熱點(diǎn)材料。盡管前人已報道了一些高熵合金催化劑的篩選/設(shè)計策略，傳統(tǒng)的試錯法仍占主導(dǎo)，限制了高效催化劑的探索。因此，亟需發(fā)展合理的設(shè)計策略，推動高熵合金的合成及催化應(yīng)用。另一方面，物理化學(xué)性質(zhì)的差異使得金屬助劑對鉑基丙烷脫氫催化劑的幾何電子結(jié)構(gòu)具有不同的影響。進(jìn)而對合金效應(yīng)的深入理解可以為設(shè)計制備高效丙烷脫氫高熵合金催化劑提供理論依據(jù)。

研究人員通過對鉑基二元合金體系的深入研究發(fā)現(xiàn)銅、錫、金和鈀對鉑展現(xiàn)出稀釋、包覆、表面富集以及不均一效應(yīng)。經(jīng)金屬助劑的依次引入，逐步實(shí)現(xiàn)了對鉑物種的稀釋、孤立、表面富集以及高熵化穩(wěn)定，最終制備得到表面富集孤立鉑位點(diǎn)的高熵合金催化劑。

圖1.基于合金化效應(yīng)逐步設(shè)計與構(gòu)筑高熵合金催化劑

催化研究表明，合金元素逐步引入帶來的結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)地實(shí)現(xiàn)了丙烷脫氫催化選擇性、活性及穩(wěn)定性的提升。所制備的高熵合金催化劑在550攝氏度常規(guī)測試條件下200小時內(nèi)無明顯失活。此外，在354每小時的高空速條件下，所制備高熵合金催化劑在550及600攝氏度下均展現(xiàn)出超高的丙烯生成速率，優(yōu)于已報道的鉑基多元合金催化劑。該工作對合金化效應(yīng)的深刻理解和靈活應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高熵合金催化劑的定向構(gòu)筑，為高熵合金設(shè)計制備提供新思路，有望加速催化劑的開發(fā)與研究。

圖2.丙烷脫氫催化性能研究