近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所在催化劑空腔效應(yīng)研究中取得進(jìn)展。
在非均相催化中，特別是在高溫水相條件下，活性金屬流失、團(tuán)聚、燒結(jié)等引起的催化劑失活問題一直是限制負(fù)載型金屬催化劑發(fā)展的癥結(jié)所在。此外，在實(shí)際反應(yīng)中提高催化劑對(duì)特定產(chǎn)物的選擇也是催化劑制備過程中的一大挑戰(zhàn)。
為解決上述問題，合肥研究院科研人員使用空心碳球作為載體，采用真空浸漬法將活性金屬Ni負(fù)載在空心碳球的內(nèi)部，得到空心碳球封裝的Ni催化劑（Ni@HCS），并將其應(yīng)用于糠醛（FAL）水相加氫重排反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，Ni@HCS在反應(yīng)中展現(xiàn)了良好性能，在150℃、2 MPa氫壓、4 h的反應(yīng)條件下可實(shí)現(xiàn)FAL的完全轉(zhuǎn)化，且產(chǎn)物環(huán)戊酮（CPO）的選擇性高達(dá)99%。與活性炭負(fù)載的催化劑的對(duì)比結(jié)果表明，將Ni顆粒封裝在內(nèi)部可顯著提高催化劑的選擇性，這是由于空腔效應(yīng)帶來的擇型催化效果。更為重要的是，相比于活性炭負(fù)載的催化劑，Ni@HCS催化劑在反應(yīng)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的水相穩(wěn)定性，在經(jīng)歷10次循環(huán)使用后依然保持較高的活性，這得益于空心碳球?qū)钚越饘俚谋Ｗo(hù)作用，能夠大大減少金屬在反應(yīng)過程中的流失。ICP-AES測(cè)試結(jié)果顯示，循環(huán)后，Ni@HCS催化劑的Ni含量沒有明顯變化，而活性炭負(fù)載的Ni催化劑中金屬含量則下降了2/3。DFT理論計(jì)算論證了水介質(zhì)參與中間體重排反應(yīng)過程，表明水在催化反應(yīng)體系中不僅僅作為綠色溶劑，更是以反應(yīng)物的角色參與了反應(yīng)。
采用相同的合成手段，科研人員還合成了空心碳封裝的Pd和Cu基催化材料，驗(yàn)證了材料合成的普適性，表明該合成方法同樣適用于制備其他金屬催化劑，并能夠催化多種類反應(yīng)。
