在化工和环境净化领域，钯（Pd）催化剂因其高效性而受到广泛应用。然而，这些催化剂在实际应用中容易受到硫化物的毒化，导致活性显著下降。回收和再利用这些硫中毒的钯催化剂一直是一个技术挑战。
近日，清华大学李亚栋院士、北京师范大学李治教授和南开大学刘锦程教授联合团队在《美国化学会志》（JACS）上发表了一项突破性研究成果，他们提出了一种创新的“自上而下”策略，通过一步热原子化过程将硫中毒的钯催化剂转化为高效的单原子催化剂，显著提升了乙炔半加氢反应的催化性能。
研究背景
钯基催化剂在石化炼制、有机合成和废气净化等多个工业过程中发挥着关键作用。但是，由于硫化物等毒化物的影响，这些催化剂容易失活，限制了它们的长期应用。传统的Pd催化剂再生方法需要高温和高纯度氢气处理，这既不安全也不经济，且再生后的催化性能往往难以恢复到理想水平。
研究进展
李亚栋院士团队提出了一种自上而下的策略，通过一步热原子化过程降解Pd的硫化物并同时创建Pd单原子位点。Pd4S模型纳米粒子在负载到ZIF-8并经过热处理后，成功转化为负载在N和S共掺杂的碳上的Pd单原子位点（Pd1/N, S-C）。在原子化过程中形成了PdZn中间体。这一过程不仅降解了硫化钯，还创造了新的活性位点。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
密度泛函理论计算表明，PdZn的形成有助于在金属纳米粒子附近生成空位，从而促进了原子化过程。该策略可以方便地应用于S中毒的商业Pd/C催化剂的原子化，显示出回收商业催化剂的潜力。最优的Pd1/N, S-C催化剂在乙炔半加氢反应中表现出良好的活性，并且与Pd4S相比选择性显著提高。
研究亮点
- 创新的催化剂再生策略：通过一步热原子化过程，将硫中毒的钯催化剂转化为单原子催化剂，为催化剂的回收和再利用提供了新途径。
- 显著提升的催化性能：优化后的Pd1/N, S–C催化剂在乙炔半加氢反应中表现出良好的活性和显著提高的选择性。
- 理论计算支持：DFT计算揭示了PdZn中间体在原子化过程中的关键作用，为催化剂的设计和优化提供了理论基础。
研究意义
李亚栋院士团队的这一突破性研究不仅为钯催化剂的再生提供了一种高效的方法，而且为乙炔半加氢反应提供了一种高性能的催化剂，这对于化工生产和环境保护具有重要意义。通过这种创新的催化剂再生策略，可以显著降低催化剂的使用成本，提高催化过程的可持续性。
文献信息
文献标题：Recycling Sulfur-Poisoned Pd Catalysts via Thermal Atomization for Semi-Hydrogenation of Acetylene
作者：Qiheng Li, Shoujie Liu, Jin-Cheng Liu, Zhi Li, Yadong Li
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c11305
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c11305
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