Reaktantberigelse af nanoreaktorer øger hydrogeneringsydelsen

Hulstrukturerede understøttede metalkatalysatorer (dvs. nanoreaktorkatalysatorer) med indkapslede aktive steder og veldefinerede skaller giver et ideelt sted for multikomponenter at reagere eller transformere i samarbejde på en velordnet måde og er effektivt blevet anerkendt som en af ​​de mest populære katalysatorkandidater.

Selvom reaktantberigelse er blevet foreslået ved at undersøge forholdet mellem den katalytiske ydeevne og strukturen af ​​nanoreaktorer på nanoniveau, er undersøgelsen af ​​berigelseseffekten på mesoskalaen (500-2000nm) stadig ikke omfattende nok. Konstruktion af nanoreaktormodellerne med aktive metaller i og uden for den hule nanostruktur via forskellige syntetiske metoder eller sekvenser vil uundgåeligt påvirke mikromiljøet omkring de aktive steder, såvel som de væsentlige aktive steder.

Derudover involverer reaktantberigelse på mesoskala niveau mange processer såsom adsorption og diffusion, som ikke kan uddybes ved at konstruere simple beregningsmodeller på nanoskala niveau. Derfor kræver undersøgelse af reaktantberigelsen på mesoskalaniveau, at de iboende aktive steder opretholdes konstant, når forskningsmodellen konstrueres, enten med eller uden berigelsesadfærd.

I en ny forskningsartikel offentliggjort i National Science Review , forskere ved Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), University of Chinese Academy of Sciences, Taiyuan University of Technology, University of Surrey og Inner Mongolia University præsenterer en ny nanoreaktorkatalysator (Pt NPs@MnO_x ) med ensartet dispergerede Pt-nanopartikler indkapslet i en iltfri plads-rig MnO_x hul struktur for at katalysere den selektive hydrogenering af CAL og undersøge reaktantberigelse på mesoskala niveau.

Den katalytiske ydeevne for CAL-selektiv hydrogenering på Pt NPs@MnO_x er 3,4 gange højere end Pt NPs&MnO_x , som fysisk knuses til en åben struktur. UV–vis, in situ FTIR og IGA målinger viser, at den hule MnO_x skal af Pt NPs@MnO_x fører til højere CAL-optagelse.

Mekanismen bag dette fænomen kan bestå af to trin. Da den hule struktur skaber et begrænset rum, vil ydre reaktanter kontinuerligt diffundere ind i det indre af den hule struktur retningsbestemt drevet af koncentrationsgradienten og/eller kapillarlignende effekt (trin 1).

Derefter fikseres disse reaktanter på den indre overflade ved adsorption for at holde den lokale lave koncentration i det lukkede rum. I modsætning hertil er Pt NPs&MnO_x kunne ikke understøtte denne retningsbestemte diffusionsproces. Desuden afslører DFT-resultater, at CAL er stærkere adsorberet på overfladen af ​​Pt NPs@MnO_x end Pt NPs&MnO_x under overskydende reaktanter (trin 2).

H₂ -TPR–MS og finite-element simuleringsresultater viser også, at Pt NPs@MnO_x nanoreaktor skaber et stabilt rum med en høj koncentration og lav strømningshastighed for at forhindre udslip af reaktanterne (dissocieret brint). Det er derfor klart, at reaktantberigelse er afledt af den retningsbestemte diffusion af reaktant drevet gennem en lokal koncentrationsgradient og en øget mængde af reaktant adsorberet på grund af den forbedrede adsorptionsevne i hult MnO_x .

Pt NPs@MnO_x katalysator udviser ekstremt høje katalytiske aktiviteter og selektivitet i en lang række reaktionstryk. En 95 % omdannelse med 95 % COL-selektivitet opnås på Pt NPs@MnO_x ved kun 0,5 MPa H₂ og 40 minutter, hvilket er en relativt mild tilstand sammenlignet med de fleste rapporterede katalytiske systemer.

Ved at kombinere eksperimentelle resultater med densitets funktionsteoretiske beregninger stammer den overlegne cinnamylalkohol (COL) selektivitet fra den selektive adsorption af CAL og den hurtige dannelse og desorption af COL i MnO_x skal. Desuden inducerer det hule hulrum reaktantberigelsesadfærden, hvilket øger reaktionsaktiviteten.

Disse resultater giver mulighed for at forbedre den katalytiske ydeevne på mesoskalaniveau ved at designe en rationel nanoreaktor i stedet for at reducere størrelsen af ​​metalpartiklerne eller modificere dem med heteroatomer eller ligander på nanoskalaniveau.

Flere oplysninger: Yanfu Ma et al., Reaktantberigelse i hult hulrum af Pt NPs@MnOx nanoreaktorer for at øge hydrogeneringsydelsen, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad201

Leveret af Science China Press