烷烴直接脫氫制烯烴在化工生產中發揮著重要作用，但在低溫下實現C-H鍵的高效活化是催化領域的挑戰性課題。苯乙烯作為重要的化工單體，廣泛應用于各種工程塑料、橡膠、樹脂的合成中。目前，工業上主要是利用鐵基催化劑催化乙苯直接脫氫制得苯乙烯。該反應為吸熱反應，在反應過程中需使用大量高溫蒸汽和600°C 以上的反應溫度，是一個高能耗和高水耗的反應過程。盡管已報道的納米碳材料可作為乙苯脫氫的催化劑，但反應溫度依舊高達550°C。因此，開發具有優異低溫活性的乙苯直接脫氫催化劑具有重要的工業應用價值。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員劉洪陽、副研究員刁江勇和博士研究生王琳琳等與北京大學教授馬丁、香港科技大學教授王寧、中科院上海應用物理研究所研究員姜政以及中科院山西煤炭化學研究所研究員溫曉東等團隊合作，通過調控金屬Pd與富缺陷石墨烯載體之間的相互作用，在納米金剛石/石墨烯碳載體上構建出亞納米尺度全暴露Pd3金屬團簇催化劑，該催化劑實現了低溫下(350°C)高效催化乙苯直接脫氫制苯乙烯。相關研究成果發表在《美國化學會催化》(ACS Catalysis)上。
在前期研究基礎上，研究人員在納米金剛石-石墨烯雜化載體上構造了亞納米尺度完全暴露Pd金屬團簇，經球差電鏡和X射線吸收精細結構(圖1)分析表明，Pd金屬團簇由平均三個Pd原子組成(Pd3/ND@G)，并通過Pd-C鍵錨定在富缺陷石墨烯表面。與Pd單原子和Pd納米顆粒催化劑相比，完全暴露且原子級分散的Pd3金屬團簇催化劑在乙苯低溫脫氫制苯乙烯反應中具有最高的乙苯轉化率(328 mmol gPd-1h-1)和苯乙烯選擇性(>99%)，并且在350°C無氧反應條件下表現出優異的穩定性(圖2)。密度泛函理論(DFT)計算結果表明(圖3)，Pd3金屬團簇中相鄰金屬Pd原子之間的協同作用確保了乙苯分子中乙基上C-H鍵的高效活化和苯乙烯的快速脫附，是Pd3/ND@G催化劑催化性能優于Pd單原子和Pd納米顆粒催化劑的關鍵。該工作實現了對亞納米尺度Pd金屬團簇結構的精準控制，為新型烷烴脫氫工業催化劑的設計提供了新途徑。
研究工作得到國家重點研發計劃納米專項青年科學家項目、國家自然科學基金委員會、遼寧省“興遼英才計劃”、中科院創新研究院合作基金、沈陽材料科學國家研究中心青年人才項目等的支持，并獲得上海同步輻射光源的支持。
關鍵詞： 金屬所 亞納米尺度Pd3金屬團簇催化材料
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