《自然—通讯》报道华理催化脱除冷链乙烯新进展

近日，华东理工大学资源与环境工程学院修光利教授团队与东京都立大学村山徹（Toru Murayama）教授团队在长效催化脱除冷链乙烯领域取得突破，相关研究成果以“Selective formation of acetate intermediate prolongs robust ethylene removal at 0 °C for 15 days”为题，在线发表于《自然—通讯》（Nature Communications）期刊。

我国是果蔬生产及物流运输大国。果蔬采摘后将持续释放乙烯催熟剂，加速其成熟老化与品质劣变。已有研究表明，即使在冷链系统的低温条件下（0-4 °C），痕量乙烯也会催熟、老化新鲜蔬菜和水果，因此高效、持久的冷链环境痕量乙烯脱除方法和技术的研究至关重要。

因可在室温甚至更低温度下高效脱除乙烯，催化氧化方法得到研究人员的广泛关注。但已报道催化剂在冷链条件下单次有效工作时间极短（少于3小时），无法满足我国幅员辽阔的地域间果蔬产品运输，亟需开发可长时间催化脱除冷链痕量乙烯的高效催化剂，从而促进催化脱除冷链乙烯技术走向现实应用。

研究团队通过理性分析乙烯低温催化氧化过程，发现乙烯较难高效深度氧化为最终产物二氧化碳，而主要被转化为乙醇、乙醛、乙酸等中间体，形式沉积在催化剂表面。研究团队进一步结合各个中间体在冷链工况下的物态性质，推断若可将乙烯选择性氧化为乙酸这一在0-4 °C温度区间内为类固态的中间体物种，将有利于长时间暴露催化活性位点（图1a），从而有望大幅提升催化剂在冷链条件下的催化氧化乙烯稳定性。

基于此，研究团队开发出可选择性氧化乙烯为乙酸的AuPt合金纳米簇高分散沉积含酸位点ZHM20催化剂（图1b），在线质谱证实该催化剂可生成乙酸产物（图1c）。乙烯脱除实验显示，该催化剂在0 °C条件下乙烯脱除率高达80%并稳定超过40小时（图2a），远超文献最优报道（图2b），且该催化剂单次工作时间可达15天（360小时），并可通过热处理方式使催化剂性能完全恢复（图2c）。更为重要的是，研究团队提出高效乙烯脱除催化剂的设计新策略，即利用特定工作温度下乙烯转化物种的物态性质，例如在0 °C下形成类固态的乙酸物种，从而提升催化剂的长效稳定性。

图1：（a）乙烯在催化剂表面选择性氧化为乙酸示意图；（b）催化剂电镜照片及元素扫描图谱；（c）在线质谱检测产物为乙酸

图2：合金纳米簇/ZHM20催化剂（a）在不同温度下的乙烯脱除效率；（b）与文献报道催化剂的性能对比；（c）长时间稳定性以及再活化测试

该研究工作第一作者是华东理工大学资环学院青年教师林明月，其长期致力于空气污染物低温催化氧化领域的应用基础研究，创新溶胶固载方法突破金属纳米簇与固体酸因表面静电排斥而难以有效复合的难题，创制多种金属纳米簇高分散、高载量沉积固体酸催化剂，实现在常温及低温下高效催化氧化有限空间内多种空气污染物（如恶臭氨气与硫化氢、有毒气体一氧化碳、冷链乙烯等）为无害物质，研发催化净化整体原型装置并验证其有效性。修光利教授和村山徹教授为共同通讯作者，华东理工大学为第一单位。该工作得到国家重点研发计划、上海市海外高层次人才引进计划等的资助。‍