背景介绍
随着能源需求不断增加以及环境问题日益严重，特别是石油储量减少和温室气体排放增加，非矿物资源近年来引起了人们的广泛关注。目前，工业中非化石资源的转换需要大规模使用氢气。然而，传统的氢气主要是来源于石油、天然气和煤等不可再生能源水解反应生成的灰氢，但这一过程存在不可持续的局限性。除了灰氢之外，利用太阳能、风能等可再生能源，并通过电解水技术可以实现低碳环保高效地制备绿氢。利用和储存是目前绿氢研究的两个主要方向。在含氢体系中，我们需要开发高活性催化剂，在温和条件下实现催化加氢，压力较低的绿氢可以直接作为氢源使用，这是绿氢利用的基础。为了达到这个目标，我们开发了一种新型高活性Co-CoOx@NC催化剂，其中N掺杂起到了重要作用。DFT理论计算结果表明，N掺杂能够诱导金属纳米颗粒表面电子重新排列形成Co-CoOx双活性位点：H2解离过程更容易在Co上进行，而CoOx则增强了生物质醛类化合物的吸附和活化效果。与传统的金属/氧化物界面不同的是，Co-CoOx界面能够有效缩短氢溢流距离并降低反应能垒，并且在水相中温和反应条件下展现出优异的生物质醛类化合物加氢催化性能。
成果简介
汪国忠课题组采用先水热后煅烧还原的方法成功构建了一种氮掺杂碳包覆金属纳米颗粒催化剂（Co-CoOx@NC）。该催化剂在使用绿氢进行生物质醛类化合物加氢反应时表现出卓越的活性、选择性和稳定性。为了明确反应机理，研究团队进行了一系列动力学实验并结合DFT计算。各种证据表明，杂原子N在诱导界面电子重排和Co-CoOx双位点的构建的过程中发挥了关键作用，H2在Co上解离产生的H原子将与吸附在CoOx上的FAL反应生成FOL。本研究结果为开发多活性位点催化剂进行高效的醛类加氢提供了一条有效途径。
图文导读
图1. (a) Co-CoOx@NC的示意图模型；(b) Co（111）、NC以及(c) C的功函数；(d) Co-CoOx@NC催化剂的电荷密度差分图；(e) Co@C和Co-CoOx@NC的DOS图。
图2. (a) Co-CoOx@NC的结构示意图；Co-CoOx@NC催化剂的(b) SEM图和(c) TEM图；Co-CoOx@NC的(d) HRTEM图像和(e) HADDF-STEM图像以及相应的EDX谱图；(f) Co-CoOx@NC的XRD谱图；Co-CoOx@NC的(g) XPS谱图和（h-j）高分辨Co 2p、N 1s和C 1s峰；(k) Co-CoOx@NC的N2吸附/解吸等温线和孔径分布。
图3. (a)溶剂对催化性能的影响（催化剂20 mg，FAL 1 mmol，2MPa H2，25℃，溶剂10 ml，反应时间2 h）；(b) H2压力对催化性能的影响（20 mg催化剂、1 mmol FAL、25℃、10 ml H2O、反应时间2 h）；(c)反应时间对催化性能的影响（20 mg催化剂、1 mmol FAL、2 MPa H2、25℃、10 ml H2O）；(d) Co-CoOx@NC在FAL加氢反应中的循环实验（20 mg催化剂，1 mmol FAL， 2MPa H2, 25℃, 10 ml H2O, 反应时间1 h）。
图4. (a)将FAL转化为FOL的路径；(b) 催化剂表面H2吸附和解离过程的能量；(c) 将FAL转化为FOL过程的能量。
作者简介
汪国忠，中国科学院固体物理研究所研究员、博士生导师。研究领域为纳米材料在环境与能源领域的应用研究，主持和参加相关纳米材料研究的国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家重点基金、中科院先导（A类）、中科院科研装备研制项目等；提出了微/纳结构融合的设计与构筑思路、发现微/纳结构有显著的“结构增强吸附”和“结构增强催化”特性、发展了基于微/纳结构材料的环境治理及催化新技术等。近5年来在Nat. Sustain., Adv. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ.,ACS Nano等国际重要期刊上发表SCI论文140多篇。
郁志新，挪威斯塔万格大学教授、挪威工程院院士，挪威催化学会理事及秘书长。长期从事用于石油和清洁能源生产的纳米材料和纳米技术、纳米催化、合成气和氢气生产、沼气生产、二氧化碳转化和利用等，发表SCI学术论文80多篇。
陈春，中国科学院固体物理研究所副研究员。主要研究领域包括用于生物质高值转化和煤炭清洁转化的非均相催化剂设计和催化工艺开发。近5年在Adv. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ.等国际重要期刊上发表SCI论文40多篇。
文章信息
Shen Y, Chen C, Zou Z, et al. Room temperature aqueous-phase hydrogenation coupling with green hydrogen: Sustainable technologies innovating by efficient Co-CoOx@NC catalyst derived from N-induced interfacial electron rearrangement. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907118.
