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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心/化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院黃偉新教授和武漢大學(xué)顧向奎研究員合作研究，發(fā)現(xiàn)小尺寸Cu2O立方體納米晶在丙烯空氣環(huán)氧化制環(huán)氧丙烷反應(yīng)中表現(xiàn)出高選擇性，并明確了其Cu2O{110}邊位是催化活性位和理解了催化反應(yīng)機理。研究成果以“Fine cubic Cu2O nanocrystals as highly selective catalyst for propylene epoxidation with molecular oxygen”為題發(fā)表在Nat. Commun.2021, 12,5921。

環(huán)氧丙烷(PO)是一種高價值化工中間體。丙烯與O2環(huán)氧化反應(yīng)是最經(jīng)濟和綠色的PO生產(chǎn)途徑，但由于缺乏高效催化劑，該反應(yīng)也是最具挑戰(zhàn)性的催化反應(yīng)之一。銅基催化劑被廣泛研究作為丙烯空氣環(huán)氧化反應(yīng)催化劑，但報道的PO選擇性并不令人滿意。在前期研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)黃偉新教授團隊發(fā)現(xiàn)Cu2O{110}晶面是催化丙烯空氣環(huán)氧化反應(yīng)的活性晶面（Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 4856），并觀察到小尺寸Cu2O立方體納米晶具有高密度Cu2O{110}邊位，在CO氧化反應(yīng)中起主要催化作用（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 4276）?；谏鲜龌A(chǔ)理解，黃偉新教授團隊在本工作中設(shè)計了平均尺寸為27 nm的Cu2O立方體納米晶用于丙烯空氣環(huán)氧化反應(yīng)，獲得了80%以上的PO選擇性，并證實了其Cu2O{110}邊位為生成PO的活性位點。與此同時，發(fā)現(xiàn)了溫度依賴的催化反應(yīng)機理，在低反應(yīng)溫度下，主要發(fā)生Cu2O{110}邊位催化的弱吸附O2物種為活性氧物種的低能壘Langmuir-Hinshelwood (LH)反應(yīng)選擇性生成PO，但弱吸附O2物種在高反應(yīng)溫度不穩(wěn)定，則同時發(fā)生Cu2O{110}邊位和Cu2O{100}面位催化的表面晶格氧為活性氧物種的高能壘Mars-van Krevelen (MvK)反應(yīng)分別生成PO、丙烯醛和CO2。該研究結(jié)果為丙烯空氣環(huán)氧化高效催化劑的研制提供了新思路。

文章第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生熊偉，共同第一作者是武漢大學(xué)顧向奎研究員。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、教育部、武漢大學(xué)等的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24621-8

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）