双调控SiO2 纳米球尺寸与水热反应温度构建海胆状硅酸铜空心纳米球催化剂及其在草酸二甲酯加氢中的应用

本研究针对硅酸铜(PS)空心纳米结构构建机制不明确的问题，通过调控SiO2 纳米球(SNS)尺寸(510/170/100 nm)和水热温度(140-180°C)，成功制备出海胆状空心纳米球催化剂Cu/SNS-M?140。该催化剂在草酸二甲酯(DMO)加氢中实现99.9%转化率和96.3%乙二醇选择性，TOF达27.9 h?1 ，其空心结构产生的氢富集效应和空间限制作用为设计高效铜基催化剂提供了新思路。

　　

在能源化工领域，草酸二甲酯(DMO)加氢制乙二醇是重要的工业化反应，但传统催化剂存在活性位点易聚集、氢利用率低等问题。近年来，具有空心结构的海胆状硅酸铜(phyllosilicate, PS)纳米球因其独特的空间限制效应和氢富集能力备受关注，然而其形成机制与结构调控规律尚不明确。中国科学院的研究团队通过系统研究SiO₂
纳米球(SNS)尺寸与水热温度的协同作用，揭示了构建理想纳米结构的关键参数。

研究采用St?ber法制备三种尺寸(510/170/100 nm)的SNS，通过水热法在140°C合成Cu/SNS系列催化剂，并考察温度(140-180°C)对结构的影响。利用SEM、XRD、N₂
吸附等技术表征材料，通过DMO加氢反应评价性能。研究发现170 nm SNS在140°C时能形成最优的铜硅酸盐层状结构，其弯曲的硅氧四面体与铜氧八面体通过Jahn-Teller效应自组装成空心纳米球。

Morphology and surface hydroxyl groups of SNS
SEM显示不同尺寸SNS表面光滑，170 nm SNS具有最高表面羟基浓度(0.85 mmol/g)，促进硅溶解形成铜硅酸盐。N₂
吸附证实其介孔结构有利于反应物传输。

Discussion
铜硅酸盐形成需铜前驱体、硅源和碱性环境三重条件。小尺寸SNS因高曲率加速硅溶解，但过小(100 nm)会导致结构坍塌；140°C水热温度平衡了硅溶解与铜硅酸盐结晶速率，温度过高(180°C)引发过度生长破坏空心结构。

Conclusions
170 nm SNS与140°C水热温度的组合可制备出具有分级孔道的海胆状空心纳米球Cu/SNS-M?140，其DMO加氢TOF达27.9 h^?1
，性能提升源于：(1)空心结构增强氢分子富集；(2)纳米管组装体抑制铜物种聚集；(3)介孔通道促进传质。该研究为精准设计铜基催化剂提供了理论依据，发表于《Fuel》期刊。

研究意义在于首次阐明SNS尺寸与羟基浓度的负相关关系，建立了"尺寸-温度-结构-性能"的调控模型，为开发高效纳米反应器型催化剂开辟了新途径。Yihua Wang等学者通过多尺度调控策略，实现了从材料制备到工业应用的全链条创新。