亚纳米尺度下原子级分散的金属活性中心通常具有较强的C-H键活化能力，因其具有高表面能和热力学不稳定性，在烷烃脱氢等高温催化反应中较易烧结形成较大的纳米颗粒，从而降低催化性能。因此，开发热稳定性高的烷烃脱氢催化材料是烷烃脱氢领域的焦点。近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员刘洪阳、副研究员刁江勇、特别研究助理博士研究生王琳琳、研究员王晓辉，联合北京大学教授马丁、香港科技大学教授王宁、中国科学院山西煤化所教授温晓东等，通过调控硅酸锌材料的合成方法，构建了表面具有高密度配位不饱和结构的Zn催化剂（HD-Zncus@ZS）。该催化剂在高温乙苯直接脱氢反应中表现出较高的脱氢活性、结构稳定性和优异的可循环性，为设计新型高温脱氢催化材料提供了新思路。相关研究成果以High-Density Coordinatively Unsaturated Zn Catalyst for Efficient Alkane Dehydrogenation为题，发表在《美国化学会志》（JACS）上。 苯乙烯是工业上重要的聚合物单体，主要通过乙苯直接脱氢催化反应获得。开发高活性、高稳定性的乙苯脱氢催化剂是该领域当前研究的热点和难点。针对该反应催化剂活性低、易失活、稳定性差等问题，科研人员开展了系列研究工作。前期研究表明，稳定的活性位点结构和配位环境有助于加强贵金属物种在乙苯脱氢反应中的稳定性，提高烷烃脱氢催化剂的活性及稳定性。然而，负载型贵金属催化剂通常在反应条件苛刻的烷烃脱氢反应中稳定性较差，其活性中心的结构在反应中可能会发生变化，同时难以控制载体上的金属物种在氧化重生后的结构，从而影响催化性能。因此，构筑具有强键合能力的配位环境是增强烷烃脱氢金属催化材料稳定性的有效手段。尽管金属氧化物催化剂通常比负载型金属催化剂具有更稳定的配位环境，但金属氧化物催化剂在烷烃脱氢反应中的活性较差。由于单个活性位的脱氢效率有限，为提高催化剂烷烃脱氢效率，该工作通过优化合成方法，研发了表面具有高密度配位不饱和结构的Zn催化剂，并利用O的配位作用将Zn禁锢于硅酸锌骨架中，从而形成稳定结构。XRD、吡啶红外吸附、球差电镜表征结果说明了HD-Zncus@ZS催化剂的制备及其表面配位不饱和Zn（Zncus）结构的存在（图1）。乙苯脱氢测试说明，具有高密度Zncus的HD-Zncus@ZS催化剂本征脱氢活性更高，在5次氧化再生循环反应中具有良好的稳定性（图2）。密度泛函理论计算探究了乙苯分子在高密度配位不饱和Zn物种上的脱氢路径（图3）。该研究为设计新型高活性、高稳定性且低成本的烷烃脱氢催化剂提供了理论指导。 研究工作得到国家重点研发计划催化专项、氢能专项，国家自然科学基金委员会重大研究计划集成项目、企业联合基金重点项目、国际合作中港联合基金，中国科学院建制化项目，辽宁省博士科研启动基金，金属所创新基金培育项目，国家研究中心青年人才项目，中国石油化工集团有限公司、中国中化集团有限公司等，以及上海同步辐射光源、北京同步辐射光源的支持。 论文链接图1. HD-Zncus@ZS催化剂的结构表征 图2. HD-Zncus@ZS催化剂的乙苯脱氢催化性能 图3. 密度泛函理论计算探究HD-Zncus@ZS催化乙苯脱氢的反应路径 图4. 高密度配位不饱和Zn催化乙苯直接脱氢过程示意图