我院姚建年/谢在来/乔孟飞团队在选择性催化加氢领域取得新进展

近日，福州大学分子工程+研究院姚建年/谢在来/乔孟飞团队在选择性催化加氢领域取得新进展，相关成果以“Nanogalvanic cell catalysts: bridging electrochemical and thermal catalysis”为题发表在期刊National Science Review 上 (DOI: 10.1093/nsr/nwag186)。该研究创新性地提出纳米原电池催化剂设计策略，通过合理设计催化剂结构和反应体系，将电化学中协同质子-电子转移的反应机制植入传统热催化体系，实现了硝基芳烃的高选择性加氢，为多相催化剂设计提供了新思路。

硝基芳烃选择性加氢制备芳香胺是医药合成、染料合成及精细化学品合成领域中的关键反应之一，其反应效率与产物选择性直接影响相关产业的技术水平与产品质量。然而，对于同时含有硝基、碳碳双键、羰基等多种可还原官能团的底物体系，传统贵金属催化剂通常遵循Horiuti-Polanyi加氢机制，即氢气分子在金属活性表面发生解离，形成活性氢物种，进而参与底物的加氢反应。该反应路径虽具备较高的催化活性，但易引发共存不饱和官能团的过度加氢反应，导致目标产物选择性显著降低。因此，如何突破催化活性与产物选择性之间的固有矛盾，是选择性加氢催化领域长期以来面临的核心科学挑战与技术瓶颈。

针对上述科学问题，本研究通过精准设计，构筑了具有空间分离活性位点的 Pt@C/TiO₂ 纳米原电池催化剂。该催化剂体系以TiO₂为载体，负载由超薄碳壳层包覆的Pt纳米颗粒，其中Pt活性位点主要负责氢气的氧化过程，TiO₂活性位点则承担硝基的还原功能。超薄碳壳层具有良好的氢气分子渗透性，可允许氢气分子顺利抵达Pt活性位点；同时，其能有效阻隔底物与Pt活性位点的直接接触，从而显著抑制传统金属表面自由氢物种引发的非选择性加氢反应。研究结果表明，在该催化体系中，质子可通过溶剂氢键网络实现高效迁移，电子则经由TiO₂载体完成定向传输，质子与电子的协同作用直接参与硝基还原过程，最终形成类电化学协同质子-电子转移的独特催化路径。

在 4-硝基苯乙烯选择性加氢反应中，传统 Pt/TiO₂ 催化剂虽然可快速完成底物转化，但目标产物 4-氨基苯乙烯选择性仅为 11.27%，表现出明显的过度加氢。相比之下，Pt@C/TiO₂ 在相同条件下可实现近完全转化，并获得高达 97.36% 的 4-氨基苯乙烯选择性。进一步的溶剂效应、同位素效应、载体对比实验以及电化学耦合分析共同证实，该反应遵循空间分离的原电池式催化路径：Pt位点发生氢气氧化，TiO₂ 位点发生硝基还原，从而避免底物在 Pt 表面的直接竞争加氢。

值得注意的是，碳壳层包覆结构还赋予催化剂优异的抗毒化能力。由于 CO 和含硫分子难以直接接触 Pt 表面，Pt@C/TiO₂ 在 CO 和噻吩等毒化物存在下仍保持较高催化活性，并可用于含硫硝基芳烃的选择性加氢。这一特性进一步展示了该催化剂在复杂精细化学品和药物中间体合成中的应用潜力。

该工作设计出具有”类原电池“结构的催化剂，将电催化中质子-电子协同转移的反应机制引入传统热催化体系，实现了氢气活化与底物还原的空间解耦，为设计高选择性、高抗毒化能力的多位点协同催化体系提供了新的范式。

福州大学化学学院硕士生黄智轩为论文第一作者，福州大学分子工程+研究院姚建年院士、谢在来教授、乔孟飞副教授为论文共同通讯作者，福州大学分子工程+研究院为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金以及福州大学福建省高校测试中心贵重仪器设备开放测试基金的支持（https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwag186/8662458）。