高達5 500小時！廈大團隊創(chuàng)制超高穩(wěn)定性催化劑

中國科學報2024年3月1日報道，廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室教授王野、傅鋼和中國科學技術大學教授姜政等，創(chuàng)制出高達5500小時以上壽命的超高穩(wěn)定性In/Rh@S-1催化劑，在近熱力學平衡收率條件下，高選擇性催化丙烷等低碳烷烴直接脫氫制取對應烯烴。3月1日，相關研究成果發(fā)表在《科學》雜志上。

低碳烯烴是合成纖維、橡膠、塑料等諸多大宗化工產品的基礎原料，全球年需求量超過3億噸。烷烴直接脫氫是工業(yè)制烯烴的重要途徑，目前商業(yè)技術主要掌握在歐美企業(yè)。由于反應須在苛刻的高溫條件下進行，商業(yè)化烷烴脫氫催化劑仍面臨易燒結、易積碳、催化劑需頻繁再生，以及由此帶來的高能耗、高排放等問題。

如何構筑在高溫苛刻反應條件下穩(wěn)定，且兼具高活性和高選擇性的金屬催化劑，是催化領域公認的重大挑戰(zhàn)。雖然近年國內外學者在提升丙烷脫氫催化劑的穩(wěn)定性方面已取得重要進展，但因高溫下金屬元素的遷移導致性能劣化，難以在近工業(yè)條件下實現(xiàn)500小時以上的連續(xù)穩(wěn)定運行。王野團隊另辟蹊徑，提出“原位動態(tài)構建活性位”的概念。利用In的親氧性和動態(tài)遷移的特性，設計反應條件下活性位動態(tài)形成且高度穩(wěn)定的In/Rh@S-1催化劑。在該催化劑中，單原子Rh位于S-1（Silicalite-1）分子篩孔內，而通過與分子篩硅羥基作用自發(fā)遷移至孔道中的In物種以In-Rh鍵穩(wěn)定Rh單原子，形成分子篩限域RhInx活性中心，該活性中心又通過In-O鍵錨定在分子篩骨架上。該方法為超穩(wěn)、高效單原子催化劑的設計和合成提供了新的思路。

該工作的重要突破在于，新型In/Rh@S-1催化劑可有效規(guī)避積碳生成，無需像商用烷烴脫氫工藝須額外添加氫氣以抑制積碳，也無需通過空氣燒焦頻繁再生，使過程更簡便且更加綠色。以純丙烷為反應原料，該催化劑在550 ℃的近工業(yè)反應條件下長達5 500小時的連續(xù)測試中活性和選擇性均保持穩(wěn)定。在600 ℃高丙烷轉化率（>60%）下，In/Rh@S-1催化劑可連續(xù)穩(wěn)定運行1 200小時以上。此外，單原子Rh表現(xiàn)出非常優(yōu)異的C-H鍵活化性能，基于單位貴金屬質量的丙烯生成速率比當前報道的Pt基催化劑高1～2個數量級。該工作開辟了Pt基和Cr基以外的無需頻繁再生的烷烴脫氫新催化劑體系，有望開發(fā)具有自主知識產權的化工清潔生產技術，助力實現(xiàn)碳中和目標。

（來源：中國科學報）