张斌/覃勇团队：分子筛内选择性沉积FeOx实现高效环己烷氧化

中科院山西煤化所覃勇/张斌团队使用原子层沉积技术将FeO_x选择性沉积在ZSM-5孔道中的空位和L-酸性位点上，制备出了FeO_x/ZSM-5催化剂，实现了环己烷高选择性转化为环己酮。

烷烃是化学工业的主要原料，直接将烷烃催化氧化为相应的醇、醛、酮和酸等化工有机产品，具有较高的原子经济性和应用价值。然而，烷烃中的C–H键十分惰性，因此在温和条件下进行烷烃的高效选择性氧化充满挑战。在自然界，生物体中的单加氧酶以铁为活性中心，能够在室温条件下实现烷烃的选择性氧化。基于此，研究者发展出一系列负载型铁基催化剂用于烷烃的催化氧化。然而，传统方法（如浸渍法、离子交换法）很难控制铁物种的分散程度以及其在载体上的沉积位置。在溶液中，铁物种不仅会取代分子筛中Brønsted酸位的H⁺，还会与Lewis酸位和缺陷位发生作用，从而形成多种类型、不同尺寸的Fe物种，这导致催化剂上的反应路径十分复杂，产物选择性和反应效率较低。

原子层沉积(ALD)是一种利用基底表面前驱体的单层化学吸附和反应生成沉积物的薄膜制备技术，具有原子分子控制精度。最近，中国科学院山西煤炭化学研究所张斌副研究员和覃勇研究员团队利用ALD技术将高分散的FeO_x选择性沉积在ZSM-5孔道中，制得FeO_x/ZSM-5催化剂。该催化剂在双氧水氧化环己烷的选择性可达到97%，催化剂活性显著高于文献报道的铁基催化剂。为了在ZSM-5孔道中沉积氧化铁，该团队使用动力学直径小于ZSM-5的微孔孔道的二茂铁作为前驱体，通过自主建设的旋转ALD反应器增加催化剂的制备产量，并强化了前驱体在微孔中的扩散。

研究表明，FeO_x选择性沉积在分子筛微孔中的缺陷和L-酸位点，同时B-酸位点得以保持。通过改变沉积循环数可控制FeO_x物种的负载量、尺寸和表面电子状态。铁负载量随着循环数的提高线性增加。在低铁负载量下铁物种以Fe–O–Si的形式沉积在ZSM-5上，而在高负载量时则生成了FeO_x纳米颗粒。与FeO_x纳米颗粒相比，Fe–O–Si物种具有更高的环己烷氧化制环己酮的活性和稳定性（见下图）。

详见：Zhai LM, Zhang B, Liang HJ, Wu HB, Yang XC, Luo G, Zhao SC, Qin Y. The selective deposition of Fe species inside ZSM-5 for the oxidation of cyclohexane to cyclohexanone. Sci. China Chem., 2021, DOI:10.1007/s11426-020-9968-x

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通讯作者简介

张斌，副研究员，硕士生导师。主要从事原子层沉积技术及能源和化学品串联催化转化领域的研究。近年来，针对负载型金属催化剂表界面调控和分子选择性催化等关键科学问题，以烷烃、炔烃、CO₂、酮等分子的选择性转化为切入点，发展出修饰、包覆、封装、组装双界面和距离调控等普适性方法；研究了界面结构、多界面协同结构、中间体输运介质及距离等对选择性加氢和脱氢等催化反应的影响机制，实现了金属催化剂的合理设计。

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