图 表面乙烯聚合动态可视化

在国家自然科学基金项目（批准号：21821004、21932001、21902174）等资助下，北京大学吴凯、周雄团队与中科合成油技术股份有限公司、中国科学院山西煤炭化学研究所李永旺团队等合作，利用表面合成动态可视化技术，首次以直观的影像方式在分子尺度上观察了规整碳化铁表面乙烯聚合的反应过程，阐明了乙烯聚合的分子异构化链引发和分子插入链增长等关键步骤，从而深化了人们对乙烯聚合机理的认识。相关研究成果以“表面乙烯聚合乙烯插入机制的可视化（Visualization of On-surface Ethylene polymerization through Ethylene Insertion）”为题，于2022年3月11日发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4407。Science杂志还同期配发了专文评论“现场捕获生长中的聚合物（Growing polymers, caught in the act）”，评论链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2194。

乙烯聚合是典型的链式聚合反应，包括链引发、链增长和链终止等步骤，分为自由基聚合和配位聚合两种机制。其中配位聚合链增长遵循Cossee-Arlman机理，即乙烯插入到金属催化中心与聚乙烯链连接的金属-碳键之间，实现持续的单体聚合。乙烯聚合的phillips催化剂在没有烷基铝作为引发剂的情况下是如何实现链引发的，一直是困扰着学术界的基础问题。

研究人员利用Fe(110)单晶，通过氢气高温预处理和体相渗碳法，构筑出原子级规整的碳化铁表面为模型催化剂，利用扫描隧道显微镜在室温乙烯气氛下原位快速采集数据，捕捉到表面乙烯聚合的动态反应过程。该实验直观观察到在反应起始阶段，碳化铁畴界首先出现了一系列乙烯聚合的链引发物种，链的数目和长度均随着反应的进行不断增加，聚乙烯链的一端始终锚定在畴界位置，另一端则蠕动增长，呈现典型的单向生长特征。 结合理论计算分析，最终确定在没有链引发剂存在时的碳化铁表面乙烯聚合机理：乙烯吸附在碳化铁畴界三个铁原子构成的活性位点，异构化为亚乙基链引发物种（自引发），随后乙烯分子不断在Fe-CH-R的铁-碳键之间插入聚合，在插入过程中存在氢迁移使表面聚乙烯链保持Fe-CH-R活性构型，使得链增长持续进行（图）。

该研究在分子尺度对乙烯插入的链增长机理进行了可视化观测，揭示了在没有链引发剂时乙烯分子通过异构化实现自引发，有助于澄清phillips催化剂上链引发过程的学术争论。