北京時間4月19日，西北工業大學材料學院材料前沿交叉研究中心張健教授團隊在國際著名期刊《自然?化學》（Nature Chemistry）在線發表了題為“Deprotonated 2-thiolimidazole serves as a metal-free electrocatalyst for selective acetylene hydrogenation”的研究論文。
西北工業大學化學與化工學院張蕾副教授與材料學院2023級博士白瑞為論文共同第一作者，山西大學衛智虹老師與西北工業大學張健教授為共同通訊作者。
金屬基催化劑（如鉑，銥，鈀，釕，金，銀，銅，鎳，鐵，鈷等）在現有電催化反應中占據了主導地位，包括電催化氧還原反應、析氫和析氧反應、二氧化碳還原反應、氫氧化反應以及選擇性有機還原和氧化反應等。但是，金屬催化劑尤其是貴金屬催化劑存在含量少、價格高、微量金屬殘留降低化工產品質量、電化學過程中金屬納米粒子聚集嚴重、金屬離子易破壞工業生產中離子交換膜等一系列問題。同時，催化活性受到到晶面、缺陷、空位、界面、表面結構、孔道結構等綜合影響。因此，以上問題嚴重地制約了金屬基催化劑大規模發展以及活性位點和催化機制研究。
自本世紀初氮摻雜碳納米管在堿性氧還原反應中作為無金屬催化劑以來，研究者們致力于開發各種無金屬氮摻雜碳基電催化劑。其中，利用富碳前驅體熱裂解合成的氮摻雜碳材料在氧還原反應中達到了媲美鉑基催化劑的高活性。然而，現有氮摻雜碳材料在控制摻雜原子或缺陷類型、數量和均勻性方面存在不可控性，導致無金屬電催化劑的活性位點備受爭議。2021年，諾貝爾化學獎授予Benjamin List和David MacMillan，以表彰他們將小分子作為有機催化劑的開創性貢獻。與金屬基催化劑和氮摻雜碳材料相比，小分子催化劑具有價格低廉和分子結構明確等優點，但高活性的無金屬小分子電催化劑的研究仍鮮有報道。
基于此，張健教授團隊以乙炔半氫化生成乙烯為模型反應，首次報道了一種新型、高效的無金屬乙炔半氫化電催化劑。2-巰基咪唑分子的亞氨基和巰基在堿性環境中將脫去兩個質子形成負二價陰離子，在共軛作用下咪唑環中吡啶氮的自然負電荷密度顯著增加，有效促進了親電性乙炔的σ-吸附和親核性乙烯的脫附。在1M KOH水溶液中，2-巰基咪唑分子實現了225 mA/cm2的乙烯分電流密度和98%乙烯選擇性，優于傳統金屬基催化劑，展現了無金屬分子催化劑在電催化應用中的巨大潛力。同時，研究團隊通過研究不同咪唑衍生物的脫質子作用機理，發現咪唑衍生物的乙烯分電流密度與其吡啶氮負電荷密度呈現火山圖關系，為后續分子催化劑的設計提供了新的思路和指導。
圖1.不同咪唑衍生物的作用機理研究。a 不同咪唑衍生物在1MKOH溶液中的去質子化示意圖；不同咪唑衍生物在1M KOH水溶液中純乙炔流下的b 極化曲線和c 乙烯分電流密度；d不同咪唑衍生物在0 V下乙炔半氫化生成乙烯的吉布斯自由能圖；e不同咪唑衍生物的乙烯分電流密度與其吡啶氮自然電荷的相關性
2019年入職以來，張健教授團隊針對當前高能耗、高碳排放、高污染的化工產業現狀，系統開展了新能源驅動的綠色化工技術研究，包括基礎理論、催化材料和器件應用，重點發展了“綠色炔烴催化轉化”特色方向。以通訊作者在國際著名期刊《自然?化學》（Nature Chemistry），《自然?催化》（Nature Catalysis），《自然?通訊》（Nature Communications）、《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）等發表了一系列原創性研究工作。
未來，團隊將進一步圍繞綠色炔烴催化方向開展深入研究。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01480-6
（審核：禹亮）
