中石大聯(lián)合德國(guó)萊布尼茲催化研究所等科研機(jī)構(gòu)在丙烷脫氫非貴金屬基催化劑研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間:2021-11-11 | 來(lái)源：科學(xué)技術(shù)處、化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院 | 瀏覽量：
尋找環(huán)保經(jīng)濟(jì)的耐久性PDH催化劑，是石化工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重要課題。中國(guó)石油大學(xué)（北京）姜桂元教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外合作者，在這一領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。
丙烯是基本的有機(jī)化工原料，近年來(lái)供需缺口不斷加大。隨著頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)發(fā)展、資源高效利用及能源高質(zhì)量發(fā)展的需求驅(qū)動(dòng)，特別是在雙碳背景下石油石化行業(yè)面臨的轉(zhuǎn)型升級(jí)，丙烷無(wú)氧脫氫（PDH）制丙烯技術(shù)成為填補(bǔ)丙烯供需缺口的一種重要途徑。目前商業(yè)化的PDH催化劑是K-CrOx/Al2O3和Pt-Sn/Al2O3，Pt價(jià)格昂貴以及Cr(VI)毒性高，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。研發(fā)價(jià)格低廉、環(huán)境友好的高效非貴金屬基替代催化劑并揭示其催化作用機(jī)制至關(guān)重要且迫在眉睫。
針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姜桂元教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)萊布尼茲催化研究所Evgenii V. Kondratenko教授團(tuán)隊(duì)、焦海軍教授團(tuán)隊(duì)、山西大學(xué)及德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)合作者，在丙烷無(wú)氧脫氫催化劑研究方面取得新進(jìn)展。
ZnO-S-1以及商業(yè)K-CrOx/Al2O3類(lèi)似催化劑的丙烷脫氫/氧化再生催化性能，(a) 轉(zhuǎn)化率，(b) 時(shí)空收率；(c) ZnO-分子篩的丙烯生成速率；(d) ZnO-金屬氧化物的丙烯生成速率
該工作中，研究人員采用簡(jiǎn)單的機(jī)械混合-原位氫氣還原處理方法，成功地在Silicalite-1(S-1)上合成了雙核Zn-oxo物種。研究發(fā)現(xiàn)，在還原處理機(jī)械混合的ZnO-S-1樣品時(shí)，被還原的ZnO以Zn單質(zhì)形式遷移至S-1上并與其羥基窩發(fā)生反應(yīng)，得到雙核Zn-oxo物種。在還原性條件下，低配位雙核Zn-oxo物種是丙烷脫氫的活性位，將該催化劑應(yīng)用于丙烷無(wú)氧脫氫反應(yīng)時(shí)，在400個(gè)小時(shí)的反應(yīng)測(cè)試中，催化劑展現(xiàn)了優(yōu)異的催化性能，在與商業(yè)K-CrOx/Al2O3類(lèi)似催化劑相當(dāng)?shù)谋┻x擇性條件下，該催化劑的丙烯時(shí)空收率是K-CrOx/Al2O3的3倍左右（上圖(a)和(b)）。同時(shí)該催化劑的制備方法還可以拓展至富含羥基窩的其它類(lèi)型分子篩以及富含羥基的金屬氧化物中（上圖(c)和(d)），表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
該研究基于分子篩羥基窩和原位預(yù)處理/反應(yīng)構(gòu)筑高效非貴金屬基催化劑，不僅從分子層次闡明丙烷脫氫活性位的形成與作用機(jī)制，還為將來(lái)高效催化劑理性設(shè)計(jì)提供了新思路。
研究結(jié)果以“In situ formation of ZnOx species for efficient propane dehydrogenation”（原位形成ZnOx物種用于丙烷高效脫氫）為題， 于2021年11月10日在《自然》(Nature)在線(xiàn)發(fā)表。論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03923-3
中石大博士研究生趙丹為本論文的第一作者，姜桂元教授、Evgenii V. Kondratenko教授及焦海軍教授為論文的通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家留學(xué)基金委及德國(guó)科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目支持。
（編輯 丁遠(yuǎn)朋）
