最新Science:串聯耦合機制，開辟新途徑

一、 【導讀】
丙烯作為化工行業的基礎化合物，通常通過石腦油的流裂解來生產，這是一種能耗較高的過程。從頁巖氣中獲得的丙烷可以通過丙烷直接脫氫反應(PDH)轉化為丙烯，但是該反應具有較高的吸熱性并且在熱力學平衡方面存在嚴重限制。另一種選擇是丙烷熱催化氧化脫氫反應(ODH)，但要實現商業化，必須要克服丙烯過度氧化為CO₂的問題。根據勒夏特列原理，選擇性地從產物中去除H₂將使平衡向丙烯方向移動。與氫滲透選擇性膜反應器和金屬氫化物相比，選擇性的H₂燃燒還具有熱釋放的額外優勢，并且可以與現有的工業PDH過程完美整合。然而，O₂共進料催化系統存在固有的安全隱患和空氣分離過程能耗較高的缺點。
可還原金屬氧化物的晶格氧可以作為固體氧載體，在無氧條件下實現選擇性氫燃燒(SHC)。Bi₂O₃、In₂O₃、V₂O₅、Fe₂O₃、MoO₃和摻雜的CeO₂等氧載體的可行性已經得到廣泛驗證。然而，仍存在一些限制，如氧化還原穩定性差、低氧存儲容量(OSC)和有限的氫燃燒選擇性，阻礙了其潛在的商業應用。此外，在分子水平上實現脫氫位點和氫燃燒位點之間的精確通信行為，以介導串聯PDH-SHC反應仍然是一個挑戰。

二、 【成果掠影】
天津大學鞏金龍教授等人將化學鏈選擇性H₂燃燒和PDH與多功能FeVO₄-VO_x氧化還原催化劑相結合。均勻分散在Al₂O₃上的VO_x提供了脫氫反應位點，而相鄰的納米級FeVO₄則作為氧載體進行隨后的H₂燃燒。基于催化實驗、光譜表征和理論計算，提出了一種通過氫溢出介導的耦合機制。在VO_x位點生成的氫中間體會遷移到相鄰的FeVO₄位點進行燃燒，從而促使PDH向丙烯轉化。相關的研究成果以“Tandem propane dehydrogenation and surface oxidation catalysts for selective propylene synthesis”發表在Science上。

三、【核心創新點】?
1. 提出了一種通過氫溢出介導的耦合機制。
2. 在550°C下實現了42.7%的丙烷轉化率和81.3%的丙烯選擇性。

四、 【數據概覽】

圖1 30FeV-3V/Al串聯催化劑的表征。? 2023 AAAS

圖2 串聯催化劑的催化性能。? 2023 AAAS

圖3 氫溢出介導的PDH和CL-SHC耦合。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】
本文通過多功能串聯氧化還原催化劑，在納米尺度上展示了氫氣溢出介導的PDH和CL-SHC的耦合。并且研究了從毫米尺度到納米尺度的不同位點的串聯模式，驗證了丙烯生產的選擇性取決于氧化物間的親密度。實驗和理論分析表明，在VO_x位點形成的氫中間體會遷移到相鄰的FeVO₄載氧體上進行燃燒，從而改善了PDH與CL-SHC的串聯過程。許多與工業相關的化學轉化過程具有吸熱和平衡限制的特點，期待這種氫氣溢出輔助的CL-SHC和串聯催化機制能為指導過程強化開辟出新的途徑。

文獻鏈接：Tandem propane dehydrogenation and surface oxidation catalysts for selective propylene synthesis. Science. 2023.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi3416
本文由辭書供稿