催化学报 ›› 2026, Vol. 84: 347-358.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64898-4

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CuWOx纳米岛原子置换精准构筑Pt-O-W活性位高效催化甘油氢解制1,3-丙二醇

邹洁琪a, 何迁b, 刘雷a(), 赵斌彬c(), 董晋湘a()   

  1. a 太原理工大学化学与化工学院, 化学产品工程山西省重点实验室, 山西太原030024, 中国
    b 新加坡国立大学材料科学与工程系, 新加坡
    c 太原科技大学化学工程与技术学院, 山西太原030024, 中国
  • 收稿日期:2025-09-16 接受日期:2025-10-02 出版日期:2026-05-18 发布日期:2026-04-16
  • 通讯作者: *电子信箱: liulei@tyut.edu.cn (刘雷),
    binbinzhao1121@163.com (赵斌彬),
    dongjinxiangwork@hotmail.com (董晋湘).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22478276);国家自然科学基金(22408253);国家自然科学基金(21978194);山西省科技创新团队专项经费(202204051001009)

Precise construction of Pt-O-W active sites via atom replacement on CuWOx nanoislands for efficient glycerol hydrogenolysis to 1,3-propanediol

Jieqi Zoua, Qian Heb, Lei Liua(), Binbin Zhaoc(), Jinxiang Donga()   

  1. a Shanxi Key Laboratory of Chemical Product Engineering, College of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China
    b Department of Materials Science and Engineering, National University of Singapore, Singapore
    c School of Chemical Engineering and Technology, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China
  • Received:2025-09-16 Accepted:2025-10-02 Online:2026-05-18 Published:2026-04-16
  • Contact: *E-mail: liulei@tyut.edu.cn (L. Liu),
    binbinzhao1121@163.com (B. Zhao),
    dongjinxiangwork@hotmail.com (J. Dong).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation(22478276);National Natural Science Foundation(22408253);National Natural Science Foundation(21978194);Special Fund for Science and Technology Innovation Teams of Shanxi Province(202204051001009)

摘要:

界面效应在多相催化反应中具有重要作用. 尽管界面工程已被广泛研究, 但对负载型双功能催化剂而言, 在载体表面构建结构均一、明确的双金属界面仍面临巨大挑战. Pt-WOx体系因具备金属加氢与酸催化功能, 被视为工业级甘油氢解最具前途的催化体系之一. 然而, 如何同时提高甘油氢解转化效率与1,3-PDO选择性仍是重大挑战. 尽管目前已认识到Pt-WOx界面位点在促进C-O键断裂中的关键作用, 但实现对WOx纳米结构及Pt在金属-氧化物界面空间分布的精确调控仍具有挑战性. 因此, 本文旨在开发一种先进的Pt-WOx界面工程控制策略, 通过在Pt与WOx之间构建精准的空间构型和电子相互作用, 实现CO2加氢制甲醇反应路径的精确调控并提升催化稳定性.

本研究提出一种Pt-WOx纳米原子层覆盖策略, 在紧凑空间内精准调控金属-载体相互作用, 构建具有更高原子利用效率的双功能界面. 该策略以Cu为空间介导和锚定位点, 诱导Pt选择性沉积于CuWOx纳米岛上, 形成结构明确、高密度的单一Pt-WOx活性中心, 从而制备出富含Pt-WOx界面活性位点的Pt-WOx/γ-Al2O3复合催化剂. 该催化剂在高甘油浓度(30.0 wt%)下实现65%的1,3-丙二醇(1,3-PDO)选择性和0.302 g1,3-PDO·gcat-1·h-1的时空产率. 通过球差校正透射电子显微镜证实了CuWOx的形态特征: 均匀分散的纳米岛平均尺寸为0.59 nm, PtOx在这些岛上实现了精准定位. 利用原位物质吸附-红外光谱实验系统阐明了甘油在Pt-WOx界面吸/脱附的动态过程, Cu修饰的Pt-WOx活性位点促进了甘油分子的吸附. 此外, X射线光电子能谱、原位H2漫反射傅立叶变换红外光谱及H2程序升温脱附实验结果显示, Cu物种可调控Pt-WOx中心的电子态, 证明Pt-Cu置换策略不仅能保持Pt物种高分散、抑制团聚, 还利用Cu0作为电子助剂强化了Pt-WOx相互作用; 同时, Pt与Cu间的协同作用促进氢溢流跨越Pt-WOx界面, 极大提升了H2吸附/解离能力, 使总吸氢量提升至1.23 mmol·g-1, 为传统催化剂Pt/WOx/γ-Al2O3的两倍, 这种精准构筑的Pt-WOx活性位点为甘油氢解提供了更为充足的活性氢. 基于实验证据、表征数据与机理认识, 对不同Pt基催化剂上甘油氢解制1,3-PDO提出了两条截然不同的反应路径. 在Pt-WOx/γ-Al2O3体系中, 催化中心位于Pt-WOx纳米岛. 甘油分子的伯羟基吸附于岛面; H2在Pt位点异裂解离, 生成Hδ+与Hδ-. Hδ-锚定于PtOx, 而Hδ+溢流至WOx岛, 原位形成位于Pt-WOx界面的W-OH布朗斯特酸位. W-OH布朗斯特酸位与甘油仲羟基作用, 生成表面束缚的仲碳正离子, 随即被邻近的Pt-Hδ-快速攻击, 最终脱附得到1,3-PDO. Pt-Hδ-与W-OH在空间上紧密相邻、协同作用, 是高1,3-PDO选择性的根源. 相反, Pt/WOx/γ-Al2O3的Pt-WOx界面密度低, 质子溢流受限, Pt-(OH)-W活性中心难以动态形成, W-OH生成受阻, Pt-Hδ-与W-OH的协同效应被削弱, 导致1,3-PDO选择性显著下降.

综上, 本研究提出的“Pt-WOx纳米岛”策略, 在氧化铝载体表面成功构筑了均一、明确的双金属界面, 为纳米岛合成提供了新思路, 也为负载型金属-氧化物催化剂的界面精准设计提供了新见解, 并有望拓展至其它反应体系.

关键词: 多相催化, 铂-钨催化剂, 甘油加氢脱氧反应, 纳米岛, 1,3-丙二醇

Abstract:

Interfacial engineering is central to heterogeneous catalytic hydrogenation. However, achieving the precise control of bimetallic interfaces in supported bifunctional catalysts remains a critical issue. Herein, we present a strategic atom-replacement approach in which Cu acts as a spatial mediator and anchoring site, enabling Pt to be selectively deposited onto CuWOx nanoislands, thereby forming well-defined high-density Pt-WOx active sites for the selective hydrogenolysis of glycerol. The characterization results demonstrate that Cu species modulate the electronic states of the Pt-WOx centers, while the cooperative interaction between Pt and Cu enhances the hydrogen spillover across the Pt-WOx interface. This synergy promotes the formation of 1,3-propanediol (1,3-PDO) by optimizing the reaction pathway. Consequently, the Pt-WOx/γ-Al2O3 catalyst achieved 65% selectivity to 1,3-PDO with a space-time yield of 0.302 g1,3-PDO·gcat-1·h-1 at a high glycerol concentration (30.0 wt%), outperforming all previously reported Al2O3-based systems. This work not only provides a new approach for nanoisland synthesis, but also offers valuable insights into interfacial control in heterogeneous catalysis.

Key words: Heterogeneous catalysis, Pt-W catalyst, Glycerol hydrodeoxygenation, Nanoisland, 1,3-Propanediol