乙烯作为重要的基础化工原料，其纯度直接影响乙烯下游高附加值化学品的生产。由石油裂解制备的乙烯中，通常含有0.5 ~ 2 vol.%的乙炔杂质，乙炔会毒化后续乙烯聚合反应的催化剂。因此，乙炔杂质的脱除是乙烯聚合工业中的关键环节。利用乙炔催化加氢将乙炔转化为乙烯，是去除乙炔杂质的重要手段。目前工业上使用的钯银（PdAg）合金加氢催化剂存在乙烯选择性低、乙烯易过度加氢生成乙烷或绿油等问题。此外，贵金属Pd催化剂会增加催化剂使用成本。因此，开发高性能、低成本乙炔加氢催化剂具有重要意义。
铜(Cu)作为一种储量丰富、价格低廉的过渡金属，对乙炔加氢展现出催化活性，研究团队在前期工作中发现，Cu单原子有利于产物乙烯脱附，可实现高乙烯选择性和最大化的金属原子利用率 (Nat. Commun. 2019, 10, 4431.)。然而，相比于贵金属Pd催化剂，Cu自身的氢解离能力较弱，催化乙炔完全转化仍需较高的反应温度（＞200 ℃），实现高活性、高选择性Cu催化乙炔加氢仍是一个挑战。
针对这一挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘洪阳研究员和博士研究生隋成荃与北京大学马丁教授、重庆大学孙耿副教授等团队合作，成功构建一种亚纳米全暴露Cu团簇与Ru单原子协同催化的双金属催化剂，实现了高活性、高选择性催化乙炔加氢。制备的Ru1Cun/SiO2催化剂在170 ℃下实现了100%乙炔转化率和97.6%乙烯选择性，显著降低乙炔完全转化的温度，加氢活性达34.02 molC2H2/(molCu·h)，分别是单金属Cu团簇和Cu单原子催化剂的5.3和52.3倍。氢氘交换实验证明， Ru单原子的引入可明显提高RuCu催化剂的加氢活性，氢气解离温度由83 ℃降低至47 ℃。结合谱学表征与 DFT 理论计算，揭示了单原子Ru 与全暴露 Cu 团簇协同催化乙炔加氢的催化机理。在单金属Cu团簇催化剂上，H2 的解离需要克服 1.31 eV 的自由能垒，说明单Cu团簇对 H2 活化能力有限。而在双金属RuCu催化剂中，Ru单原子作为氢活化中心实现高效解离H2，Cu团簇作为乙炔吸附和活化的位点。该工作通过原子级精准设计构建了Cu团簇与金属Ru单原子协同催化体系，解决了单金属Cu因加氢活性不足而存在的活性与选择性难以兼顾的挑战，为开发高效乙炔加氢催化剂提供了新思路。近日，相关研究成果以“Fully Exposed Cu Clusters with Ru Single Atoms Synergy for High-Performance Acetylene Semihydrogenation”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》。
以上工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家高层次人才项目、中国博士后科学基金、中国科学院大科学装置建制化项目与中国石化、中国中化等企业合作项目提供的支持，以及北京同步辐射光源的大力支持。
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图1. (a-b) 催化剂的Ru K边 XANES和EXAFS表征结果，(c-d) 催化剂的Cu K边 XANES和EXAFS表征结果。
图2. 催化剂乙炔加氢性能，(a) 乙炔转化率和乙烯选择性随反应温度变化，(b) 催化剂加氢活性和乙烯产率的比较，(c) 表观活化能测定结果，(d) 催化剂稳定性能测试，(e) 与其它已报道乙炔选择性加氢催化剂的性能比较。
图3. 单金属Cu团簇催化剂和双金属RuCu催化剂上乙炔选择性加氢反应的吉布斯自由能图以及关键中间体结构。
图4. 全暴露Cu团簇与Ru单原子协同催化乙炔选择性加氢示意图。
AI读进展：科学家开发新型铜-钌催化剂，高效净化乙烯生产中的关键杂质
核心进展：中国科学家团队成功研发出一种新型催化剂，能够更高效、更精准地将乙烯原料中的有害杂质——乙炔——转化为有用的乙烯。这种催化剂由微小的“铜原子团”和高度分散的“钌单原子”协同工作，性能远超目前工业上使用的贵金属催化剂。
背景：
1.乙烯的重要性：乙烯是生产塑料、化纤等无数高附加值化工产品的基础原料，堪称现代化学工业的“基石”。
2.乙炔杂质的危害：石油裂解生产乙烯时，不可避免地会混入少量（0.5%-2%）的乙炔杂质。乙炔就像“毒药”一样，会使后续将乙烯聚合成塑料的催化剂中毒失效。
3.现有技术的痛点：目前工业上常用含昂贵钯(Pd)的钯银（PdAg）合金催化剂来去除乙炔（将其加氢变成乙烯）。但这种方法存在明显缺点：
- 选择性差：容易把需要的乙烯也过度加氢变成无用的乙烷，或者生成黏糊糊的副产物“绿油”。
- 成本高：依赖贵金属钯。
4.铜催化剂的潜力与局限：铜(Cu)便宜且储量丰富，本身具有一定的乙炔加氢活性，并且铜催化剂对目标产物乙烯有很高的选择性（不易过度加氢）。但铜有个致命弱点——活化氢气的能力很弱。这导致它需要很高的反应温度（超过200°C）才能完全转化乙炔，能耗高且实际应用困难。
新突破：
为了解决铜催化剂“力气不足”（活化氢气能力弱）的问题，中国科学院金属研究所刘洪阳团队联合北京大学马丁团队、重庆大学孙耿团队，设计并制备了一种新型双金属催化剂：Ru₁Cuₙ/SiO₂。
- 结构巧妙：催化剂由两部分组成：
- 完全暴露的铜原子团 (亚纳米Cu团簇)：非常微小的铜原子集合体（尺寸在1纳米以下），几乎每个铜原子都能参与反应。
- 高度分散的钌单原子 (Ru单原子)：单个钌原子均匀地分布在催化剂载体（二氧化硅SiO₂）上。
- 协同作战：
- 钌单原子是“氢气活化高手”：它负责高效地“劈开”氢分子(H₂)，提供加氢反应所需的活性氢原子。
- 铜原子团是“乙炔捕捉手”：它擅长吸附并活化乙炔分子，同时保持对乙烯产物的高选择性（让乙烯容易脱附，避免被过度加氢）。
- 性能卓越 (在170°C下测试)：
- 转化率100%：乙炔被完全转化掉。
- 选择性97.6%：几乎所有的乙炔都转化成了我们想要的乙烯，极少生成乙烷或绿油。
- 活性超高：催化剂的加氢效率达到惊人的 34.02 摩尔乙炔/(摩尔铜·小时)。这分别是纯铜原子团催化剂的5.3倍和铜单原子催化剂的52.3倍！
- 温度大幅降低：在更温和的170°C就能实现乙炔完全转化，比之前纯铜催化剂所需温度（>200°C）显著降低了30°C以上。
- 关键证据：通过氢氘交换实验发现，钌单原子的加入，大大提高了催化剂活化氢气的能力，将氢气开始解离的温度从83°C降到了47°C。
- 理论揭秘：结合先进的谱学分析和计算机模拟(DFT计算)，科学家们看清了协同机理：
- 在纯铜团簇上，活化氢气需要克服很高的能量障碍（1.31 eV）。
- 而在钌-铜双金属催化剂上，钌原子轻松活化氢气，产生的活性氢原子迅速迁移到邻近的铜团簇上，与吸附在那里的乙炔反应生成乙烯。
意义：
这项研究通过原子级别的精准设计（让铜原子团充分暴露、让钌以单原子形式存在），巧妙地组合两种金属的优势（钌活化氢+铜吸附乙炔和高选择性），解决了困扰铜催化剂的“活性不足”难题，实现了高活性与高选择性的完美兼顾。这为开发下一代低成本、高效率的乙炔加氢催化剂提供了全新的思路，有望推动乙烯生产工业的绿色化与降本增效。
发表：
这项重要研究成果已发表在国际顶级化学期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society, JACS) 上，标题为“完全暴露的铜团簇与钌单原子协同用于高性能乙炔半加氢”。
简单来说：
科学家们像组装精密机器一样，用便宜的铜做“主体”负责抓乙炔和保证产物纯净，用极少量昂贵的钌做“发动机”负责提供氢动力，两者紧密配合，造出了一个又快又好又省钱的“乙炔清除器”，大大优化了乙烯的生产过程。
声明：“AI读进展”内容由人工智能技术生成，其内容旨在辅助读者初步了解相关领域研究动态，不代表中国科学院金属研究所正式学术观点或完整研究成果，不作为学术论证依据。
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