Ambient hydrogenation of solid aromatics enabled by a high entropy alloy nanocatalyst

合金 化学工程 高熵合金 材料科学 纳米技术 化学 冶金 工程类
作者
Zekun Jing,Yakun Guo,Qi Wang,Xinrong Yan,Guozong Yue,Zhendong Li,Hanwen Liu,Ruixuan Qin,Changyin Zhong,Mingzhen Li,Dingguo Xu,Yunxi Yao,Yonggang Yao,Maobing Shuai
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:9
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50009-5
摘要

Abstract Hydrogenation is a versatile chemical process with significant applications in various industries, including food production, petrochemical refining, pharmaceuticals, and hydrogen carriers/safety. Traditional hydrogenation of aromatics, hindered by the stable π-conjugated phenyl ring structures, typically requires high temperatures and pressures, making ambient hydrogenation a grand challenge. Herein, we introduce a PdPtRuCuNi high entropy alloy (HEA) nanocatalyst, achieving an exceptional 100% hydrogenation of carbon-carbon unsaturated bonds, including alkynyl and phenyl groups, in solid 1,4-bis(phenylethynyl)benzene (DEB) at 25 °C under ≤1 bar H 2 and solventless condition. This results in a threefold higher hydrogen uptake for DEB-contained composites compared to conventional Pd catalysts, which can only hydrogenate the alkynyl groups with a ~ 27% conversion of DEB. Our experimental results, complemented by theoretical calculations, reveal that PdPtRu alloy is highly active and crucial in enabling the hydrogenation of phenyl groups, while all five elements work synergistically to regulate the reaction rate. Remarkably, this newly developed catalyst also achieves nearly 100% reactivity for ambient hydrogenation of a broad range of aromatics, suggesting its universal effectiveness. Our research uncovers a novel material platform and catalyst design principle for efficient and general hydrogenation. The multi-element synergy in HEA also promises unique catalytic behaviors beyond hydrogenation applications.
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