我国学者在稳定烷烃脱氢催化剂方面取得进展
2025/06/02
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图 In动态迁移构建高稳定性Rh单原子烷烃脱氢催化剂
在国家自然科学基金项目（批准号：22121001、22222206、U22A20392、22132004）等资助下，厦门大学王野教授、傅钢教授和上海光源姜政研究员（现中国科学技术大学教授）等团队利用In元素在反应条件下的动态迁移特性和Rh单原子的高效C-H键活化能力，创制出超过5500小时寿命的超高稳定性In/Rh@S-1催化剂，在近热力学平衡收率条件下高选择性催化丙烷等低碳烷烃直接脱氢制取相应烯烃。相关成果以“分子筛中铟锚定铑单原子用于烷烃稳定脱氢（Stable anchoring of single rhodium atoms by indium in zeolite alkane dehydrogenation catalysts）”为题，于2024年3月1日发表在《科学》（Science）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5195。
低碳烯烃是合成纤维、橡胶、塑料等诸多大宗化工产品的基础原料，全球年需求量超过3亿吨。烷烃直接脱氢是工业制烯烃的重要途径，目前商业技术主要掌握在国外公司手中。由于反应须在苛刻的高温条件下进行，商业化烷烃脱氢催化剂（Pt基和Cr基催化剂）仍面临易烧结、易积碳、催化剂需频繁再生以及由此带来的高能耗、高排放等一系列问题。因此，创制具有自主知识产权的超高稳定性催化剂，开发新一代烷烃直接脱氢技术并推进其产业化是重中之重。
团队针对如何构筑在高温苛刻反应条件下高稳定性催化剂这一催化领域公认的重大挑战，提出“原位动态构建活性位”的概念。利用In的亲氧性和动态迁移的特性，设计反应条件下活性位动态形成且高度稳定的In/Rh@S-1催化剂。在该催化剂中，单原子Rh位于S-1(Silicalite-1)分子筛孔内，而通过与分子筛硅羟基作用自发迁移至孔道中的In物种以In-Rh键稳定Rh单原子，形成分子筛限域RhInx活性中心，该活性中心又通过In-O键锚定在分子筛骨架上。该方法为超稳、高效单原子催化剂的设计和合成提供了新的思路。以纯丙烷为反应原料，该催化剂在550 oC的近工业反应条件下长达5500小时的连续测试中活性和选择性均保持稳定。在600 oC高丙烷转化率（>60%）下，In/Rh@S-1催化剂可连续稳定运行1200小时以上。此外，单原子Rh表现出非常优异的C-H键活化性能，催化剂中仅需万分之五的Rh即可实现高效催化性能，基于单位贵金属质量的丙烯生成速率比当前报道的Pt基催化剂高1－2个数量级。该工作创制了Pt基和Cr基以外的无需频繁再生的烷烃脱氢新催化剂体系，有望开发具有自主知识产权的化工清洁生产技术，助力实现碳中和目标。
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