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Angew:镍基高熵金属间化合物作为乙炔半加氢的高活性和选择性催化剂

第一作者:Jiamin Ma

通讯作者:Shinya Furukawa

通讯单位:Hokkaido University


研究内容: 

on style="white-space: normal; text-indent: 2em;">乙炔半加氢是乙烯生产高聚物级乙烯的关键技术。镍基催化剂是一种很有前途的金属催化剂。然而,获得高的催化活性和选择性仍然是一个巨大的挑战。我们报告了一种基于高熵金属间化合物(HEI)的新型催化剂设计,它包含具有热稳定的孤立镍,并表现出异常的高性能。金属间化合物NiGa被多金属化为(NiFeCu)(GaGe),其中NiGa位点分别被Fe/CuGe部分取代,而没有改变母体的CsCl型结构。 NiFeCuGaGe/SiO2 HEI催化剂在乙炔完全转化的情况下也能完全抑制乙烯的过度加氢反应,其活性是其他3d过渡金属基催化剂的5倍。DFT研究表明,多金属化降低了乙烯的表面能,极大地减弱了对乙烯的吸附能力。

  

要点一: 

本文基于金属间化合物NiGa设计合成了一种新型的NiHEI催化剂,该催化剂具有简单的CsCl型结构,Ni位点部分被Fe/Cu取代,Ga位点被Ge取代,以增加混合熵和热力学稳定性。HEIXANES的谱图NiGa相似,表明NiGa的电子态在多金属化过程中变化不大。

要点二: 

该催化剂在乙炔半加氢反应中表现出极高的活性,在乙炔完全转化的情况下,也可以完全抑制乙烯过度加氢生成乙烷。其催化活性的显著提高可归因于多金属化使乙炔加氢反应的能量势垒较低,有利于氢的吸附/活化。

 

1基于HEI的催化剂设计概念: a) 基于NiHEA表面结构。 b) 金属间化合物NiGa(NiFeCu)(GaGe) HEI c) NiGa(NiFeCu)(GaGe) HEI(110)面表面结构。

 

2 NiFeCuGaGe/SiO2 (HEI)的表征: a) HAADF-STEM图像,元素分布图b) Fe, c) Ni, d) Cu, e) Ga, f) Geg)粒径分布,h) 单个纳米颗粒的特写(插图为沿[111]方向观察的NiGa晶体)i) XRD图谱, j) Ni,和k) Ga k –edge XANES,和l) 原始EXAFS振荡。


3NiGa/SiO2NiFeCuGaGe/SiO(HEI) 在乙炔半加氢反应中的催化性能。在无乙烯(C2H2: H2: He = 1:10:39 mL/min)和存在过量乙烯(C2H2: H2: C2H4: He = 1:10:10: 39mL/min)时,C2H2的转化率和选择性。c)乙烯加氢的程序升温表面反应曲线。d) HEI/SiO2长期稳定性试验。e)与文献中三维过渡金属基选择性半加氢催化剂的比较。

 

4NiGa(NiFeCu)(GaGe) HEI(110)表面进行DFT计算。a) 优化了母体NiGa 超晶胞HEI模型的结构。b) 乙烯在Ni位点上的表面能和吸附能。c) TS图像的一个例子:氢对HEI上的C2H2的攻击。d) 乙炔加氢反应Eae) 乙烯脱附和过度加氢的能量图。f) d轨道上的态密度(DOS)分布。虚线表示HEI的部分d DOS投影在每个过渡金属上。


参考文献:

Jiamin Ma, Feilong Xing, Yuki Nakaya, Ken-ichi Shimizu and Shinya Furukawa*. Nickel-Based High-Entropy Intermetallic as a Highly Active and Selective Catalyst for Acetylene Semihydrogenation. Angew. Chem. 2022, DOI: 10.1002/anie.202200889


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