催化学报 ›› 2025, Vol. 75: 49-58.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64714-0

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Ru-Co单原子合金催化剂用于醇胺化: 协同效应

周志同a,b, 关伟翔a, 潘晓丽a, 张盛鑫a,b, 苏杨a, 王爱琴a,*(), 张涛a,b,*()   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 能源催化转化全国重点实验室, 辽宁大连 116023
    b中国科学院大学, 北京 100049
  • 收稿日期:2025-02-21 接受日期:2025-03-28 出版日期:2025-08-18 发布日期:2025-07-22
  • 通讯作者: *电子信箱: aqwang@dicp.ac.cn (王爱琴), taozhang@dicp.ac.cn (张涛).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2023YFA1506603);国家自然科学基金(22209171);国家自然科学基金(22132006);国家自然科学基金(22108259);国家自然科学基金委单原子催化基础科学中心(22388102)

Ru-Co single-atom alloy catalysts for efficient amination of alcohols: A synergistic effect

Zhou Zhitonga,b, Guan Weixianga, Pan Xiaolia, Zhang Shengxina,b, Su Yanga, Wang Aiqina,*(), Zhang Taoa,b,*()   

  1. aState Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2025-02-21 Accepted:2025-03-28 Online:2025-08-18 Published:2025-07-22
  • Contact: *E-mail: aqwang@dicp.ac.cn (A. Wang), taozhang@dicp.ac.cn (T. Zhang).
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2023YFA1506603);National Natural Science Foundation of China(22209171);National Natural Science Foundation of China(22132006);National Natural Science Foundation of China(22108259);NSFC Center for Single-Atom Catalysis(22388102)

摘要:

伯胺是一类重要的化工原料, 在农药、药物和染料等领域发挥着重要作用. 因此, 伯胺的合成及其应用一直是化学领域研究的重点. 醇胺化合成伯胺是一种典型的绿色化学反应过程, 其副产物仅为水, 且具有较高的原子经济性. 然而, 目前的催化体系中仍然存在一些问题, 例如高转化率下伯胺的选择性较差, 贵金属体系反应成本高, 而非贵金属体系催化活性低等. 因此, 亟需开发贵金属用量低, 同时在较温和条件下保持对伯胺高活性和高选择性的催化体系.

本工作结合贵金属的高活性以及非贵金属的低成本性特点, 开发了一种Ru-Co/ZrO2单原子合金催化剂(SAA), 大大降低了贵金属用量, 同时保持较高的反应活性. 该催化剂在温和的条件下(0.7 MPa NH3, 0.3 MPa H2, 160 °C), 能够以较高的转化率(高达90%)和选择性(80%)将多种醇类化合物转化为伯胺. 活性研究结果表明, Ru和Co之间存在明显的协同作用. 再生实验结果表明, 经过5次再生反应后的催化剂, 与新鲜催化剂相比活性没有明显下降, 表现出良好的可再生性和结构稳定性. 结构表征结果表明, 催化剂经过还原处理后, Ru会在催化剂表面富集. 当Ru/Co比小于1/30时, Ru会在催化剂上形成SAA结构, 是主要的催化活性中心. 与单金属Co/ZrO2催化剂相比, 含微量Ru的Ru-Co/ZrO2单原子合金催化剂上底物转化速率提高了约8.4倍. 同时, 在高底物转化率下, 伯胺选择性也显著提高(从60%提高至80%). 合金化的Ru能够促进Co的分散, 增加催化剂上的活性位点. Ru的加入能够促进Co的还原, 增强与H2的相互作用, 从而提高反应活性. 乙醇-程序升温表面反应和乙醛-程序升温脱附结果表明, SAA结构能够有效促进醇的脱氢过程, 并抑制醛中间体在催化剂上的强吸附, 减少催化剂的中毒, 因此, 与单金属Co/ZrO2催化剂相比, 显著提高了反应活性. 与单金属Ru/ZrO2催化剂相比, SAA结构能够调节对伯胺的吸附强度, 促进伯胺在催化剂上的脱附, 从而减少副产物仲胺的生成. 因此, 相比于单金属Co和Ru催化剂, Ru-Co/ZrO2单原子合金催化剂展现出更好的反应活性和伯胺选择性.

综上, 本工作开发的Ru-Co/ZrO2单原子合金催化剂显著降低了催化剂成本, 通过调节反应过程中的吸脱附行为, 能够在温和的反应条件下保持对伯胺的高活性和高选择性, 为开发高效的醇胺化反应催化剂提供了一种有前景的策略.

关键词: 醇胺化, 氨气, 单原子合金催化剂, 钌-钴, 伯胺

Abstract:

Synthesis of primary amines from alcohols is an economical and green route to access high-value N-compounds. However, challenges remain to develop both cost-effective and efficient catalysts. In this study, we developed a Ru-Co/ZrO2 single-atom alloy catalyst which afforded diverse primary amines from alcohols in the presence of ammonia and hydrogen with exceptional conversion (up to 90%) and selectivity (80%) under mild conditions (0.7 MPa NH3, 0.3 MPa H2, 160 °C) and exhibited satisfactory stability upon regeneration. The turnover rate was approximately 8.4 times higher than that observed over the Co/ZrO2 catalyst. Characterizations indicated that the alloyed Ru facilitated the reduction of Co, strengthened the interaction with H2 and mitigated the over-strong adsorption of aldehyde intermediates. These combined effects contributed significantly to the enhanced catalytic performances. This work presents a promising strategy for the development of advanced catalysts in the amination of alcohols.

Key words: Alcohols amination, Ammonia, Single-atom alloy catalyst, Ru-Co, Primary amine