【J. Catal.】大连理工梁长海教授团队：ZrO₂形貌与晶面工程精准调控，实现棕榈酸甲酯高效稳定加氢脱氧

导语

在“双碳”战略目标驱动下，航空交通领域的绿色低碳转型已成为能源革命的重要方向。以可再生生物油脂为原料制备生物航煤等替代燃料，是破解化石能源依赖、降低碳排放的关键路径之一。但天然脂类原料氧含量高、脂肪酸组分复杂，存在热稳定性差、腐蚀性强等问题，无法直接作为交通燃料使用。催化加氢脱氧技术可选择性脱除脂类分子中的氧原子，将其转化为与石油基燃料性质相近的烃类组分，是生物油脂提质升级的核心技术。目前，生物油脂加氢脱氧催化剂的活性与稳定性仍有提升空间，且载体晶面效应对反应路径、活性中心性质的调控机制尚未被系统阐明。

近日，大连理工大学梁长海教授课题组聚焦这一科学问题，采用形貌与晶面工程策略，通过水热法可控合成了三种具有不同形貌和暴露晶面的ZrO2载体，制备出系列NiMo/ZrO2加氢脱氧催化剂。研究系统揭示了ZrO2形貌与暴露晶面对催化剂活性中心结构、表面氧空位及酸性质的调控规律，结合原位光谱表征与密度泛函理论（DFT）计算，阐明了晶面依赖的棕榈酸甲酯加氢脱氧反应机制。相关成果以“Unraveling the Morphology and Crystal Facet Engineering of NiMo/ZrO2 Catalysts for Methyl Palmitate Hydrodeoxygenation”发表于催化领域知名期刊Journal of Catalysis。

图文概述

本文以水热法为基础，通过调变结构导向剂用量，可控合成了八面体（ZrO2-O）、菱形（ZrO2-D）和片状（ZrO2-S）三种形貌的ZrO2载体，再经浸渍法负载 NiMo 活性组分，得到对应催化剂。

图1. 不同形貌NiMo/ZrO2催化剂的合成示意图（来源：J. Catal.）

通过XRD、SEM和TEM对合成催化剂的晶体结构、物相组成及微观形貌进行了系统表征。结果表明，所制备的NiMo/ZrO2催化剂均呈现单一的单斜相（m-ZrO2）结构。在形貌方面，三种催化剂分别表现出八面体、菱形和片状特征，形貌规整且分散良好。其中，八面体形貌的NiMo/ZrO2-O催化剂优先高比例暴露m-ZrO2（-111）晶面，为催化反应提供了独特的表面配位环境，也为后续活性位点调控奠定了结构基础。

图2. NiMo/ZrO2催化剂的微观结构和形貌（来源：J. Catal.）

高度暴露的（-111）晶面促进了氧空位的形成，NiMo/ZrO2-O催化剂表面丰富的氧空位通过电子效应有效稳定了金属Ni0活性物种，促进了H2的解离与活化。同时，氧空位作为Lewis酸性位点，能够增强底物分子的吸附能力，并有利于含氧官能团的活化。此外，八面体形貌所诱导的丰富Brønsted酸位点有效削弱了C–O/C＝O键的键能，加速了HDO路径的转化。上述金属位点、氧空位吸附位与酸位之间的协同作用，共同为催化剂优异的加氢脱氧性能提供了结构基础。

图3. NiMo/ZrO2催化剂的表面化学性质（来源：J. Catal.）

在220°C、3 MPa H2的反应条件下，NiMo/ZrO2-O催化剂表现出最优的加氢脱氧性能，总烷烃收率高达99.4%。其表观活化能（Ea）低至58.5 kJ·mol-1，显著低于其他形貌催化剂，表明该催化剂具有更低的反应能垒。此外，长期稳定性测试结果显示，该催化剂在连续运行102小时内活性未见明显衰减，展现出优异的耐久性和工业应用潜力。

图4. NiMo/ZrO2的棕榈酸甲酯加氢脱氧性能（来源：J. Catal.）

总结

本研究通过形貌工程实现了ZrO 2 载体晶面暴露的精准调控，建立了晶面结构与MPA加氢脱氧性能的构效关系，揭示了氧空位与酸性位点的协同催化反应机制。其中，高暴露（-111）晶面的NiMo/ZrO 2 -O催化剂表现出最优的催化性能，在220℃实现了99.4%的烷烃收率，并且经102小时连续运行后催化活性无明显衰减。该性能优势主要源于晶面调控下多活性位点的协同作用，一方面，（-111）晶面诱导了丰富的表面氧空位，增强了底物的吸附/活化，并通过电子效应稳定Ni 0 位点，促进H 2 的解离活化，提升加氢反应本征活性；另一方面，该晶面表面丰富的Brønsted位点，可有助于C-O/C=O键的断裂，推动加氢脱氧反应路径高效进行，提升目标产物十六烷的选择性和收率。

致谢

研究工作得到了中国国家自然科学基金（U24B6018和22402018）、辽宁省自然科学基金（2023BSBA073）、中央高校基本科研业务费专项资金（DUT24BS053）以及成都市重点研发项目（2025-XT00-0032-GX）的资助与支持。

论文信息

标题：Unraveling the Morphology and Crystal Facet Engineering of NiMo/ZrO2 Catalysts for Methyl Palmitate Hydrodeoxygenation

期刊：Journal of Catalysis

DOI: 10.1016/j.jcat.2026.117102

通讯作者：朱文军（大连理工大学）、梁长海（大连理工大学）

第一作者：赵晨曦（大连理工大学）

梁长海课题组简介

大连理工大学先进材料与催化工程实验室于2009年由梁长海教授创建。目前实验室是教育部先进材料数智设计与成型创新支撑中心核心团队。实验室围绕我国化工领域先进材料及化学品制备的关键科学与技术问题，基于新型高效催化剂的研发和化学工艺技术创新，探索包括聚合物单体和高端化学品等的绿色生产技术，解决能源转化、化学品多相催化合成和环境保护中面临的挑战。研究成果打破国外技术垄断、填补国内空白，包括发明的非常规油品催化精馏-加氢提质工艺在多家企业实现工业化应用；发明的高活性和稳定性的金属催化剂和两段固定床加氢工艺已成功用于工业化树脂加氢提质，建成我国首套C9石油树脂连续催化加氢装置；研究开发的脱硝脱汞协同催化剂成功应用于燃煤锅炉的尾气处理；建成我国首套脱硝脱汞一体化工业装置；通过电极催化材料的创新和极板流场优化，研发设计最大压力单体碱性电解水制氢设备及成套技术，实现产业化；开发了四氢糠乙醚的新工艺技术，使产品纯度等指标优于进口产品，用于工业生产中。培养硕博士毕业生110余人，在读研究生50余人。

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通讯作者简介

梁长海，大连理工大学化工学院教授、博士生导师、大连理工大学成都研究院院长、曾任盘锦校区科研与学科工作部部长。主要研究领域包括精细化学品的多相催化合成；非常规资源高效清洁转化为燃料和化学品；环境催化（VOC催化燃烧和协同脱硝脱汞催化）和电/生物催化。曾入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、四川省“天府学者”特聘专家、国家“万人计划”领军人才，获得高等学校科学技术奖自然科学一等奖、辽宁省科学技术奖技术发明一等奖、中国专利奖金奖和优秀奖，第十届国际发明展览会Ali & Homa Prize、日内瓦国际发明展金奖等，所负责的团队入选辽宁省“兴辽英才计划”高水平创新创业团队，并获得辽宁五四青年奖章集体。发明的非常规油品催化精馏-加氢提质工艺和催化剂已在多家企业实现工业化应用；发明的高活性和稳定性的金属催化剂和两段固定床加氢工艺已成功用于工业化树脂加氢提质，填补了国内空白；研究开发的脱硝脱汞协同催化剂成功应用于燃煤锅炉的尾气处理；通过电极催化材料的创新和极板流场优化，研发设计了高压单体碱性电解水制氢设备及成套技术，实现了产业化；开发了四氢糠乙醚的新工艺技术，使产品纯度等指标优于进口产品，用于工业生产中。至今发表研究论文400余篇，SCI他人引用10000余次，h指数为62，授权国内外发明专利130余件。

朱文军，大连理工大学化工学院副教授、博士生导师，大连市高层次人才。主要研究方向聚焦过渡金属氧化物、负载型催化材料的研制，重点开展VOCs等污染物催化氧化反应、氨-氢能源转化的基础研究与技术开发、非常规资源高效清洁转化为燃料和化学品等。主持国家自然科学基金青年基金、重点研发计划子课题等国家级项目3项，省部级及校级项目2项，企业横向项目2项。在ACS Catalysis、Journal of Catalysis、Journal of Hazardous Materials、International Journal of Hydrogen Energy等催化与环境领域知名期刊发表SCI论文20余篇，其中第一/通讯作者11篇，授权发明专利5项。

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