Single-Atom Ni on Tungsten Oxides Drives Hydrogen Spillover for Efficient Plastic Waste Upcycling

催化作用 异构化 材料科学 氢解 双功能 氢溢流 化学工程 红外光谱学 氧化物 双功能催化剂 碳化物 金属 聚烯烃 纳米技术 无机化学 四氢萘 贵金属 制氢 有机化学 表面工程 化学 光化学 纳米材料基催化剂 选择性 多相催化 纳米颗粒 催化裂化 开裂 化学选择性 催化剂载体
作者
Jie Sun,Qi Zhang,Xiaojun Ren,Wei Cao,Jiuxuan Zhang,Zhengyan Qu,Feng Zeng,Tae H. Ji,Hong Jiang,Zhenchen Tang,Rizhi Chen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (1): 418-430 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c06543
摘要

Upcycling polyolefin waste into liquid fuels via hydrocracking demands cost-effective catalysts that integrate strong acidity with hydrogenation activity, necessitating precise atomic control of the catalytic sites. Here, we report a non-noble catalyst featuring atomically dispersed Ni on structurally engineered WO2.72 nanowires, where heterolytic Ni–O–W sites enable heterolytic H2 activation and hydrogen spillover. In situ infrared spectroscopy shows that active Bro̷nsted acidic W–OH groups form dynamically from terminal W═O species during hydrogen spillover, surpassing bridged W–OH-W species in WO3 for C–C bond cleavage. The optimized 1Ni/WO2.72 catalyst achieves complete polyethylene conversion at 240 °C with 94.3% selectivity toward gasoline- and jet-ranged liquid fuels and state-of-the-art productivity of 5.0 gliquid/gcat·h, outperforming noble metal catalysts. Time-resolved operando infrared spectroscopy captures a stepwise hydrocracking pathway involving dehydrogenation, protonation, and C–C bond cleavage, while kinetic studies and DFT modeling confirm the critical role of these engineered sites. This work establishes a design strategy for single-atom, non-noble bifunctional catalysts through atomic-scale engineering of oxide structures and metal nuclearity, offering both mechanistic insight and practical guidance for plastic waste upcycling.
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