经济观察网讯 据金属研究所消息，乙烯作为重要基础化工原料，其纯度直接影响乙烯下游高附加值化学品的生产。由石油裂解制备的乙烯中，通常含有0.5 ~ 2 vol.%的乙炔杂质，乙炔会毒化后续乙烯聚合反应的催化剂。因此，乙炔杂质脱除是乙烯聚合工业中的关键环节。利用乙炔催化加氢将乙炔转化为乙烯，是去除乙炔杂质的重要手段。目前，工业上使用的钯银（PdAg）合金加氢催化剂存在乙烯选择性低、乙烯易过度加氢生成乙烷或绿油等问题。此外，贵金属Pd催化剂会增加催化剂使用成本。因此，开发高性能、低成本乙炔加氢催化剂具有重要意义。

铜（Cu）作为一种储量丰富、价格低廉的过渡金属，对乙炔加氢展现出催化活性，研究团队在前期工作中发现，Cu单原子有利于产物乙烯脱附，可实现高乙烯选择性和最大化的金属原子利用率。然而，相比于贵金属Pd催化剂，Cu自身的氢解离能力较弱，催化乙炔完全转化仍需较高的反应温度（＞200 ℃），实现高活性、高选择性Cu催化乙炔加氢仍是挑战。

中国科学院金属研究所研究员刘洪阳团队与北京大学教授马丁、重庆大学副教授孙耿等团队合作，成功构建了一种亚纳米全暴露Cu团簇与Ru单原子协同催化的双金属催化剂，实现了高活性、高选择性催化乙炔加氢。

在170 ℃下，制备的Ru₁Cu_n/SiO₂催化剂实现了100%乙炔转化率和97.6%乙烯选择性，显著降低乙炔完全转化温度。加氢活性达34.02 mol_C2H2/（mol_Cu·h），分别是单金属Cu团簇和Cu单原子催化剂的5.3和52.3倍。氢氘交换实验证明，Ru单原子的引入可明显提高RuCu催化剂的加氢活性，氢气解离温度由83 ℃降低至47 ℃。结合谱学表征与DFT理论计算，揭示了单原子Ru与全暴露Cu团簇协同催化乙炔加氢的催化机理。在单金属Cu团簇催化剂上，H₂解离需要克服1.31 eV的自由能垒，说明单Cu团簇对H₂活化能力有限。而在双金属RuCu催化剂中，Ru单原子作为氢活化中心实现高效解离H₂，Cu团簇作为乙炔吸附和活化的位点。

该研究工作通过原子级精准设计构建了Cu团簇与金属Ru单原子协同催化体系，解决了单金属Cu因加氢活性不足而存在的活性与选择性难以兼顾的问题，为开发高效乙炔加氢催化剂提供了新思路。

近日，相关研究成果以Fully Exposed Cu Clusters with Ru Single Atoms Synergy for High-Performance Acetylene Semihydrogenation为题，发表在《美国化学会志》（JACS）上。该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、中国科学院相关项目等的支持。