科研团队在金属氧化物结构对氢气的活化机制研究中取得新进展

近日，我所催化基础国家重点实验室纳米与界面催化研究中心碳基能源催化转化研究组（522组）潘秀莲研究员、焦峰研究员、白冰副研究员团队在合成气直接转化过程中金属氧化物结构对氢气的活化机制的研究中取得新进展，揭示了金属氧化物的晶相结构和表面元素组成对氢气活化路径及反应活性具有显著影响，为理解金属氧化物在氢活化过程中的作用机制提供了新的视角。

氢气在固体催化剂表面的吸附和活化是加氢反应中的关键步骤，例如合成氨、合成气转化和丙烷脱氢。尽管已有大量研究致力于揭示多相催化剂表面氢气活化和氢物种形成机制，但在选择性加氢反应中，理解这些氢物种的具体作用仍然具有挑战性。

本工作中，团队发现MnGaOx氧化物的晶相结构及其表面元素组成直接影响氢气的活化过程及表面氢物种的种类。在表面富Ga的MnGaOx固溶体（MnGaOx-SS）上，氢气容易解离并生成Ga−H和O−H物种。通过调整晶相以形成表面富Mn的MnGaOx尖晶石（MnGaOx-Spinel），可以有效抑制Ga−H物种的形成。不同的氢物种在C−O和C=C键加氢反应中表现出不同的活性，从而调控合成气转化过程中的产物选择性：Ga−H物种在CO活化的主反应和烯烃加氢的副反应中均表现出高活性，没有差异；而O−H物种仅在CO加氢中具有反应性，但对烯烃加氢无反应性。因此，不含Ga−H物种且高度还原的MnGaOx-Spinel可以选择性地活化CO并避免烯烃的加氢反应，从而在合成气转化OXZEO®过程中同时实现高活性和高选择性。本研究深化了对金属氧化物催化活化氢气及对氢物种反应性的认识，为进一步优化用于合成气转化和其他加氢反应的金属氧化物提供了科学依据。

该团队于2016年提出金属氧化物和分子筛耦合的双功能OXZEO®催化剂设计概念，实现了高选择性制C2=-C4=低碳烯烃（Science，2016）。在基础研究取得突破后，团队与我所刘中民院士团队、陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，于2020年成功完成国际首套煤经合成气直接制低碳烯烃OXZEO®-TO创新技术的千吨级工业试验。同时，团队就金属氧化物和分子筛催化作用原理、双功能匹配耦合机制开展系统性研究，并取得系列进展（Angew. Chem. Int. Ed.，2018；Angew. Chem. Int. Ed.，2019；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Natl. Sci. Rev.，2022；Nat. Commun.，2022；Science，2023；Angew. Chem. Int. Ed.，2023）。OXZEO®概念为煤、天然气、二氧化碳的资源化利用提供了新思路，受到广泛关注和研究（Chem. Rev. 2021）。

相关研究成果以“Surface Structure Dependent Activation of Hydrogen over Metal Oxides during Syngas Conversion”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该论文的第一作者是我所522组的白冰、博士研究生叶艺涵。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、大连市科技创新基金、我所创新基金等项目的资助。