北京时间4月19日，西北工业大学材料学院材料前沿交叉研究中心张健教授团队在国际著名期刊《自然•化学》（Nature Chemistry）在线发表了题为“Deprotonated 2-thiolimidazole serves as a metal-free electrocatalyst for selective acetylene hydrogenation”的研究论文。

西北工业大学化学与化工学院张蕾副教授与材料学院2023级博士白瑞为论文共同第一作者，山西大学卫智虹老师与西北工业大学张健教授为共同通讯作者。

金属基催化剂（如铂，铱，钯，钌，金，银，铜，镍，铁，钴等）在现有电催化反应中占据了主导地位，包括电催化氧还原反应、析氢和析氧反应、二氧化碳还原反应、氢氧化反应以及选择性有机还原和氧化反应等。但是，金属催化剂尤其是贵金属催化剂存在含量少、价格高、微量金属残留降低化工产品质量、电化学过程中金属纳米粒子聚集严重、金属离子易破坏工业生产中离子交换膜等一系列问题。同时，催化活性受到到晶面、缺陷、空位、界面、表面结构、孔道结构等综合影响。因此，以上问题严重地制约了金属基催化剂大规模发展以及活性位点和催化机制研究。

自本世纪初氮掺杂碳纳米管在碱性氧还原反应中作为无金属催化剂以来，研究者们致力于开发各种无金属氮掺杂碳基电催化剂。其中，利用富碳前驱体热裂解合成的氮掺杂碳材料在氧还原反应中达到了媲美铂基催化剂的高活性。然而，现有氮掺杂碳材料在控制掺杂原子或缺陷类型、数量和均匀性方面存在不可控性，导致无金属电催化剂的活性位点备受争议。2021年，诺贝尔化学奖授予Benjamin List和David MacMillan，以表彰他们将小分子作为有机催化剂的开创性贡献。与金属基催化剂和氮掺杂碳材料相比，小分子催化剂具有价格低廉和分子结构明确等优点，但高活性的无金属小分子电催化剂的研究仍鲜有报道。

基于此，张健教授团队以乙炔半氢化生成乙烯为模型反应，首次报道了一种新型、高效的无金属乙炔半氢化电催化剂。2-巯基咪唑分子的亚氨基和巯基在碱性环境中将脱去两个质子形成负二价阴离子，在共轭作用下咪唑环中吡啶氮的自然负电荷密度显著增加，有效促进了亲电性乙炔的σ-吸附和亲核性乙烯的脱附。在1M KOH水溶液中，2-巯基咪唑分子实现了225 mA/cm2的乙烯分电流密度和98%乙烯选择性，优于传统金属基催化剂，展现了无金属分子催化剂在电催化应用中的巨大潜力。同时，研究团队通过研究不同咪唑衍生物的脱质子作用机理，发现咪唑衍生物的乙烯分电流密度与其吡啶氮负电荷密度呈现火山图关系，为后续分子催化剂的设计提供了新的思路和指导。

图1.不同咪唑衍生物的作用机理研究。a 不同咪唑衍生物在1MKOH溶液中的去质子化示意图；不同咪唑衍生物在1M KOH水溶液中纯乙炔流下的b 极化曲线和c 乙烯分电流密度；d不同咪唑衍生物在0 V下乙炔半氢化生成乙烯的吉布斯自由能图；e不同咪唑衍生物的乙烯分电流密度与其吡啶氮自然电荷的相关性

2019年入职以来，张健教授团队针对当前高能耗、高碳排放、高污染的化工产业现状，系统开展了新能源驱动的绿色化工技术研究，包括基础理论、催化材料和器件应用，重点发展了“绿色炔烃催化转化”特色方向。以通讯作者在国际著名期刊《自然•化学》（Nature Chemistry），《自然•催化》（Nature Catalysis），《自然•通讯》（Nature Communications）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）等发表了一系列原创性研究工作。

未来，团队将进一步围绕绿色炔烃催化方向开展深入研究。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01480-6

（审核：禹亮）