乙炔选择性加氢是乙烯工业中去除乙炔杂质，获得高品质乙烯产品的关键工艺环节。长期以来，贵金属钯催化剂因其优异的加氢活性而被广泛应用于乙炔选择性加氢反应中。然而，贵金属的使用极大地增加了工业生产成本。因此，开发高效、廉价且稳定的非贵金属催化剂成为基础和工业催化领域研究的热点。近年来，非贵金属镍(Ni)在乙炔选择性加氢反应中的研究获得广泛关注。Ni在乙炔加氢过程中表现出较高的加氢活性，但乙烯的选择性却较难控制。如何在保持高活性的同时提高乙烯的选择性，是Ni催化乙炔选择性加氢面临的一个重要挑战。
针对这一挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘洪阳研究员和博士研究生隋成荃等人与北京大学马丁教授、中国科学院山西煤化所温晓东研究员以及中国石化首席专家王国清教授团队合作，在富缺陷石墨烯载体表面精准构建了全暴露Nin团簇（图一），该催化剂在较温和条件下实现乙炔分子的完全转化并表现出较高的乙烯选择性。乙炔加氢催化性能测试结果表明（图二），制备的全暴露Nin团簇催化剂在较温和条件下催化乙炔完全转化，加氢活性为91 molC2H2•molNi−1•h−1，且在高乙炔转化率下依然保持较高的乙烯选择性。同时，该工作系统地比较了Ni单原子、Ni团簇以及Ni颗粒之间催化乙炔加氢的差异，加氢机理研究实验以及密度泛函理论(DFT)计算结果（图三）表明，全暴露Ni团簇位点能够精确地满足乙炔的吸附和一个氢分子的解离，从而实现了增强的加氢活性和高催化效率。而Ni单原子上由于乙炔首先占据活性位点，H2解离困难，最终导致乙炔加氢活性低；Ni颗粒上由于H2的持续解离和高H*覆盖率，过度加氢严重，导致 Ni颗粒表现出低的乙烯选择性。该工作为合理设计高性能原子级分散非贵金属乙炔加氢催化剂提供了新的策略。近日，相关研究成果以“Fully Exposed Nickel Clusters for Semihydrogenation of Acetylene”为题发表在ACS Catalysis上。
该工作得到了科技部重点研发计划催化科学专项、氢能专项、国家基金委、中国科学院大科学装置建制化项目、博士后面上基金、中国科学院金属所创新基金培育项目、辽宁省科技计划项目与中石化等企业合作项目提供的支持，以及北京同步辐射光源的大力支持。
图1. 全暴露Nin团簇催化乙炔选择性加氢示意图
图2. （a-c）乙炔加氢催化性能测试 （d）催化剂活化能 （e）稳定性能测试 （f）与其他乙炔加氢催化剂的比较
图3.（a）Ni颗粒、Ni团簇和Ni单原子催化剂的模型 （b）不同催化剂表面乙炔加氢反应过程路径计算
