科学研究

近日，我院兰亚乾教授团队在国际化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上发表了最新研究进展（论文链接：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=f158259fcc200795be165ffdbacf6282），首次报道了通过合理调控三维共价有机框架材料（3D COFs）中的金属活性位点和局域氢转移效应实现高效光催化乙炔半加氢制乙烯。论文以“Hydrogen-localization Transfer Regulation in 3D COFs Enhances Photocatalytic Acetylene Semi-hydrogenation to Ethylene.”为题。研究生黄沛为第一作者，博士研究生杨明意为共同一作。兰亚乾教授、路猛研究员和张蜜副研究员为通讯作者，我校为唯一完成单位。

乙烯（C₂H₄）是生产聚乙烯的主要化学品，每年消耗量超过 1.85 亿吨。大部分工业原料 C₂H₄ 来自石油的蒸汽裂解。 尽管如此，这样制成的 C₂H₄ 不可避免地含有约 0.5-3 vol.% 的乙炔（C₂H₂）杂质，当将 C₂H₄ 聚合成聚乙烯时，这些杂质会毒害齐格勒-纳塔催化剂。因此，在塑料生产之前，必须除去原料 C₂H₄ 中的 C₂H₂ 以满足聚合物级 C₂H₄ 的要求。一种有吸引力的策略是将 C₂H₂ 原位半加氢为 C₂H₄。然而，目前工业上的C₂H₂半加氢工艺主要基于热催化乙炔加氢（TAH）工艺（C₂H₂ + H₂ → C₂H₄），其过程存在反应温度和压力高、使用不可再生的化石燃料作为能源以及氢气消耗过多等诸多复杂问题尚未解决，从而导致成本高昂。因此，有必要开发更绿色、更节能、更经济的方法来实现温和条件下的C₂H₂加氢。

基于此，兰亚乾教授研究团队设计了一系列基于[8+4]结构的晶态三维共价有机框架（3D COFs）。通过调控这些3D COFs中的金属活性位点和局域氢转移效应，成功实现了高效光催化乙炔（C₂H₂）加氢制乙烯（C₂H₄）。其中，含有钴乙醛肟活性中心和局域氢转移效应的Cz-Co-COF-H在纯C₂H₂中C₂H₄平均产率为1755.33 μmol g^-1 h^-1，在含1% C₂H₂的粗C₂H₄混合物中（工业条件）C₂H₂转化率接近100％，最终得到聚合物级C₂H₄。大量的实验结合理论计算表明Cz-Co-COF-H中合适的底物吸附和局域氢转移效应协同促进了乙炔到乙烯的转化。这项工作为C₂H₂加氢制C₂H₄的高效光催化剂的合理设计和开发提供了新的见解。

论文链接：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=f158259fcc200795be165ffdbacf6282 

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附图：

图1. COFs中合适的活性位点和局域氢转移效应协同促进光催化乙炔制乙烯