乙烯作為重要基礎化工原料，其純度直接影響乙烯下游高附加值化學品的生產。由石油裂解制備的乙烯中，通常含有0.5 ~ 2 vol.%的乙炔雜質，乙炔會毒化后續乙烯聚合反應的催化劑。因此，乙炔雜質脫除是乙烯聚合工業中的關鍵環節。利用乙炔催化加氫將乙炔轉化為乙烯，是去除乙炔雜質的重要手段。目前，工業上使用的鈀銀（PdAg）合金加氫催化劑存在乙烯選擇性低、乙烯易過度加氫生成乙烷或綠油等問題。此外，貴金屬Pd催化劑會增加催化劑使用成本。因此，開發高性能、低成本乙炔加氫催化劑具有重要意義。
銅（Cu）作為一種儲量豐富、價格低廉的過渡金屬，對乙炔加氫展現出催化活性，研究團隊在前期工作中發現，Cu單原子有利于產物乙烯脫附，可實現高乙烯選擇性和最大化的金屬原子利用率。然而，相比于貴金屬Pd催化劑，Cu自身的氫解離能力較弱，催化乙炔完全轉化仍需較高的反應溫度（＞200 ℃），實現高活性、高選擇性Cu催化乙炔加氫仍是挑戰。
中國科學院金屬研究所研究員劉洪陽團隊與北京大學教授馬丁、重慶大學副教授孫耿等團隊合作，成功構建了一種亞納米全暴露Cu團簇與Ru單原子協同催化的雙金屬催化劑，實現了高活性、高選擇性催化乙炔加氫。
在170 ℃下，制備的Ru1Cun/SiO2催化劑實現了100%乙炔轉化率和97.6%乙烯選擇性，顯著降低乙炔完全轉化溫度。加氫活性達34.02 molC2H2/（molCu·h），分別是單金屬Cu團簇和Cu單原子催化劑的5.3和52.3倍。氫氘交換實驗證明，Ru單原子的引入可明顯提高RuCu催化劑的加氫活性，氫氣解離溫度由83 ℃降低至47 ℃。結合譜學表征與DFT理論計算，揭示了單原子Ru與全暴露Cu團簇協同催化乙炔加氫的催化機理。在單金屬Cu團簇催化劑上，H2解離需要克服1.31 eV的自由能壘，說明單Cu團簇對H2活化能力有限。而在雙金屬RuCu催化劑中，Ru單原子作為氫活化中心實現高效解離H2，Cu團簇作為乙炔吸附和活化的位點。
該研究工作通過原子級精準設計構建了Cu團簇與金屬Ru單原子協同催化體系，解決了單金屬Cu因加氫活性不足而存在的活性與選擇性難以兼顧的問題，為開發高效乙炔加氫催化劑提供了新思路。
近日，相關研究成果以Fully Exposed Cu Clusters with Ru Single Atoms Synergy for High-Performance Acetylene Semihydrogenation為題，發表在《美國化學會志》（JACS）上。該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國博士后科學基金、中國科學院相關項目等的支持。