近期，中科院合肥研究院固体所在催化剂空腔效应研究方面取得新进展。相关研究成果发表在Applied Catalysis B: Environmental 上。该研究由固体所纳米材料与器件技术研究部环境与能源纳米材料中心团队完成。

在非均相催化中，特别是在高温水相条件下，因活性金属流失、团聚、烧结等引起的催化剂失活问题一直是限制负载型金属催化剂发展的症结所在。此外，在实际反应中提高催化剂对特定产物的选择也是催化剂制备过程中的一大挑战。

图1. (a) Ni@HCS的合成示意图； (b) Ni@HCS的SEM照片； (c, d) Ni@HCS的TEM照片。

为了解决上述问题，科研人员使用空心碳球作为载体，采用真空浸渍法将活性金属Ni负载在空心碳球的内部，得到空心碳球封装的Ni催化剂（Ni@HCS），并将其应用于糠醛（FAL）水相加氢重排反应。研究发现，Ni@HCS在反应中展现了良好的性能，在150℃、2 MPa氢压、4 h的反应条件下可以实现FAL的完全转化，并且产物环戊酮（CPO）的选择性高达99%。和活性炭负载的催化剂的对比结果表明，将Ni颗粒封装在内部可以显著提高催化剂的选择性，这是由于空腔效应带来的择型催化效果。更为重要的是，相比于活性碳负载的催化剂，Ni@HCS催化剂在反应中表现出了优异的水相稳定性，在经历10次循环使用后依然保持较高的活性，这得益于空心碳球对活性金属的保护作用，能够大大减少金属在反应过程中的流失。ICP-AES测试结果显示，循环后，Ni@HCS催化剂的Ni含量没有明显变化，而活性炭负载的Ni催化剂中金属含量则下降了2/3。DFT理论计算论证了水介质参与中间体重排反应过程，表明水在催化反应体系中不仅仅作为绿色溶剂，更是以反应物的角色参与了反应。

图2. Ni@HCS和和活性炭负载Ni催化剂在糠醛水相加氢重排反应中的循环性能对比：(a) Ni@HCS的循环性能；(b) 活性炭负载Ni催化剂的循环性能。

采用相同的合成手段，研究人员还合成了空心碳封装的Pd和Cu基催化材料，验证了材料合成的普适性，表明该合成方法同样适用于制备其他金属催化剂，并能够催化多种类反应。

该工作得到了国家自然基金的支持。

来源：合肥物质研究院

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121140