Nat Cummun: Pt-Cu单原子合金催化剂高效氢解甘油制备1,2-丙二醇
面对化石燃料的枯竭和日益严重的环境污染问题，使用可再生的生物质资源用于能源和化学品生产具有重要的战略意义。其中，生物质基多元醇-甘油，是合成可再生燃料和化学品的新型平台化合物。通过氢解、氧化和脱氢等反应可以将其转化成附加值更高的化学品。其中通过氢解转化成重要的化工原料1,2-丙二醇，既利于增长产业链、提高经济效益，也将促进有关生物质能源化工产业的发展壮大。
从甘油到1,2-PDO需要断裂一个C-O和（或者）C-C键，如何能够有选择性的打断端基C-O键并保留中间的C-O和C-C键是这个反应的核心。目前从甘油到1,2-PDO，主要是用Cu基催化剂，这是由于Cu能有选择性地断裂C-O键，保留C-C键，但是Cu的活性较低。此外根据报道，Pt的活性较高但是容易造成C-C键的断裂从而使得反应的选择性较差。
基于此，来自北京化工大学和中国科学院高能物理研究所的研究团队报道了Cu纳米团簇上负载单原子Pt的Pt-Cu单原子合金催化剂（PtCu–SAA）。该合金既能够保留Pt的活性也同时保留了Cu的选择性，使得甘油氢解1,2-丙二醇收率达到98.8%，且催化效率高达2.6×103 molglycerol·molPtCu–SAA−1·h−1，是目前已报道的性能最好的多相金属催化剂。
PtCu-SAA的制备方法
该团队使用CuMgAl双层氢氧化物在空气中经过高温煅烧得到CuMgAl混合金属氧化物为前驱体，经过氢气还原，CuO变成了Cu纳米颗粒均匀分布在氧化物材料中，最后通过电化学置换法得到PtCu-SAA催化剂。通过调控氯铂酸的浓度得到不同Pt负载量的复合材料。此外通过一系列的表征手段（AC–HAADF–STEM, in situ CO–DRIFTS and in situ EXAFS），证明了Pt原子均匀的分散在Cu原子中。
PtCu-SAA催化剂的电镜表征
对于PtCu-SAA材料，研究人员发现其催化活性随Pt原子的浓度增加呈近似线性增长的趋势，并且选择性基本保持不变。作为对照，Cu/MMO和Pt/MMO材料的转化率分别为14.5%和38.9%，并且选择性也较差。
甘油到1,2-丙二醇的催化活性评价
最后，研究人员通过原位实验和理论计算证明PtCu-SAA的界面位点是其本征活性位点：界面处Pt原子促进了中间C-H键的断裂，同时末端C-O键在邻近的Cu原子上发生解离吸附。基于PtCu单原子合金催化剂界面协同催化改变了反应路径的活化能。
反应机理研究
首先，O（C-O）吸附于Cu上, 相邻C上的H（C-H）吸附于Pt，紧接着末端的C-O键在Cu发生解离吸附，Pt促进了中间C-H键的断裂，最后，氢原子结合丙酮醇形成目标产物。Cu和Pt的界面协同催化改变了反应路径的反应路径的活化能，使得选择性和活性都大大地提升。
这篇文章主要报道了原子尺度的界面双金属协同催化甘油转化为1,2-丙二醇，为双金属催化剂的合理设计和合成提供指导并且可以由此引入到其它贵金属体系中。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13685-2
Zhang X, Cui G, Feng H, Chen L, Wang H, Wang B, Zhang X, Zheng L, Hong S, Wei M. Platinum–copper single atom alloy catalysts with high performance towards glycerol hydrogenolysis. Nature Communications. 2019 Dec 20;10(1):1-2.