近日，我校化工学院、化学工程联合国家重点实验室周兴贵教授、段学志教授、陈文尧特聘研究员等针对单原子催化剂在反应过程中易中毒失活问题，创新提出了金属纳米颗粒作为“解药”的策略，实现了单原子Au与纳米颗粒Au间的接力催化，显著提升了丙烯氢氧环氧化制环氧丙烷反应性能。相关成果以“Nanoparticles as an antidote for poisoned gold single-atom catalysts in sustainable propylene epoxidation”为题发表在《自然通讯》（Nature Communications 2024, 15, 3249）上。
当今，单原子催化剂（SACs）的研究备受瞩目，其在催化领域展现出的巨大潜力引发了学术界和企业界的广泛关注。这种催化剂以其极高的原子利用率、可调节的电子特性以及与传统纳米颗粒相比更为独特的尺度效应，被认为是未来可持续催化的关键。然而，尽管SACs在许多反应中表现出卓越性能，但其用于实际生产仍面临易失活、活性位点单一等挑战，限制了其在工业生产中的广泛应用。
针对这一问题，研究团队提出了一项概念性的验证研究，重点考察了金（Au）单原子催化丙烯气相氢氧环氧化的催化剂（Au SACs）中毒问题，并探讨了金纳米颗粒（Au NPs）作为解毒剂的潜在应用。研究结果显示，微量添加Au纳米颗粒可以有效增强和维持丙烯环氧化反应的性能。通过动力学研究、多种表征手段以及多尺度模拟分析，发现Au SACs在低丙烯覆盖度下具有显著的环氧化活性，但在高覆盖度下则会出现中毒现象。值得指出的是，传统的丙烯环氧化过程通常需要钛（Ti）位点的引入，而本研究发现Au SACs与Au NPs可以相互协作，在无Ti的化学环境下提供反应所需的不同活性位点以及过氧化氢自由基，从而分别促进H2/O2和C3H6的活化过程，以接力催化方式实现反应性能的提升。
图片说明：Au SACs与Au NPs的空间距离与床层分布调控
进一步通过调控Au SACs和Au NPs的空间距离与床层分布，实现了反应物覆盖度的匹配，从而实现了过氧化氢自由基的形成、转移和消耗的速率匹配。实验证明，仅需添加占Au SACs质量0.3%的微量Au NPs解毒剂，即可显著提升环氧丙烷的生成速率（56倍）、选择性（3倍）和H2效率（22倍），并且这种优异性能能够持续稳定150小时以上。这一发现不仅为催化领域的研究和应用带来了新的突破，也为可持续化学工业的发展贡献了重要的思路和实践经验。
图片说明：Au SACs与Au NPs间的接力催化大幅提升丙烯环氧化反应性能
该研究得到了袁渭康院士等的悉心指导。此外，该研究得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、上海市碳中和基础研究特区项目、上海市教委科研创新计划自然科学重大项目、上海市科委科技创新行动计划等项目的支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47538-4