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Electric-Symmetric-Breaking in Cu Single-Atom Catalysts for Enhanced Acetylene Hydrochlorination

乙炔 催化作用 氯乙烯 材料科学 电场 化学 化学工程 纳米技术 有机化学 物理 工程类 聚合物 复合材料 共聚物 量子力学
作者
Mingming Wang,Yurui Fan,Zhisong Liu,Jun Lei,Wenjun Huang,Xing Han,Zan Qu,Pengfei Xie,Naiqiang Yan,Haomiao Xu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (26): 23806-23816 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c04243
摘要

Acetylene hydrochlorination for vinyl chloride monomer (VCM) synthesis represents a vital industrial reaction, where the development of nonmercury catalysts has emerged as a critical research frontier. While metal-nitrogen-carbon (metal-N-C) materials, particularly Cu-N-C catalysts, have shown promise as mercury alternatives, their practical application has been hindered by the inherent limitations of the symmetric D4h electric field in planar Cu-N4 structures, which induces excessive adsorption of *C2H3Cl intermediates and compromises long-term stability. Herein, we present a design strategy through the development of electric-symmetry-broken Cu single-atom catalysts, designated as CuN4-P/C, achieved by the strategic incorporation of phosphorus atoms into the second coordination shell. Comprehensive experimental investigations coupled with density functional theory calculations demonstrate that the engineered asymmetric electric field effectively modulates the electron cloud distribution around the Cu-N bond and downshifts the d-band center, endowing the exceptional coke resistance. This structural innovation dramatically reduces carbon accumulation from 12.1% to a mere 0.28%. Consequently, the prepared catalysts demonstrate a VCM yield (>98.5%) and stability (>400 h, 180 h-1) in pilot-scale trials, surpassing those of previously reported Cu counterparts. Overall, these findings offer a strategy to suppress the deactivation by overadsorption of intermediates on Cu sites during acetylene hydrochlorination.
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