在富含乙烯的气流中将乙炔选择性加氢为乙烯是化学工业中的重要过程。Pd基催化剂由于其优异的氢化活性而被广泛用于该反应中，尽管它们对乙炔氢化的选择性和耐久性需要改进。本文中，报道了通过冷冻干燥辅助方法在氮掺杂石墨烯上成功合成原子分散的Pd单原子催化剂（Pd₁/N-石墨烯）。Pd₁/N-石墨烯催化剂在光热加热（紫外线和氙灯照射下的可见光）下，在过量的C₂H₄存在下，具有出色的活性和对C₂H₂与H₂氢化的选择性，实现了99％的乙炔转化率和在125°C下对乙烯的选择性为93.5％。这种出色的催化性能归因于催化剂表面上高浓度的Pd活性位点和乙烯在分离的Pd原子上的弱吸附能，从而阻止了C₂H₄的氢化。重要的是，Pd₁/N-石墨烯催化剂在最佳反应温度为125°C时表现出出色的耐久性，这可以解释为氮原子对Pd原子的强局部配位作用，从而抑制了Pd的聚集。此处提出的结果鼓励人们更广泛地追求基于太阳能的光热催化剂体系，该体系基于用于选择性加氢反应的单原子活性位点。
 
Figure 1. Pd₁/N-石墨烯的表征数据：a）TEM图像、b）像差校正的HAADF-STEM图像，以及c,d）EDS元素图。


 
Figure 2. Pd1/N-石墨烯、PdO和Pd箔a）Pd K边缘的XANES光谱、b）Pd K边缘EXAFS光谱的k₂加权傅里叶变换。
 

Figure 3. a）Pd₁/N-石墨烯和Pd NPs/N-石墨烯在Pd 3d区域的XPS光谱；b）Pd₁/N-石墨烯和Pd NPs/N-石墨烯在N 1s区域的XPS光谱。
 

Figure 4. a）在过量乙烯存在下乙炔的选择性加氢中，Pd₁/N-石墨烯和Pd NPs/N-石墨烯催化剂的乙炔转化率随反应温度的变化；b）对于Pd₁/N-石墨烯和Pd NPs/N-石墨烯催化剂，乙烯选择性随反应温度的变化而变化；c）Pd₁/N-石墨烯催化剂在125°C下超过24小时的耐久性测试；d）在光热加热（紫外可见辐射）和直接加热（无紫外可见辐射）下，Pd₁/N-石墨烯的乙炔转化率和乙烯选择性的比较。
 

Figure 5. a）乙烯在Pd-N₄结构和Pd（111）表面上的吸附能；b）在Pd-N₄结构和Pd（111）表面上将吸附的乙烯氢化成*C₂H₅的能谱。
         相关研究成果于2019年由中国科学院Tierui Zhang课题组，发表在Adv. Mater（DOI: 10.1002/adma.201900509）上。原文：Pd Single-Atom Catalysts on Nitrogen-Doped Graphene for the Highly Selective Photothermal Hydrogenation of Acetylene to Ethylene。