天津大學鞏金龍Science:高效的丙烷脫氫催化劑

一、【科學背景】

丙烯是重要的化工原料，廣泛用于塑料、合成纖維和其他化學品的生產。傳統的丙烯生產方法，存在資源消耗大和環境影響等問題。丙烷脫氫（PDH）作為生產丙烯的重要替代方法，當前主要的商業催化系統是以貴金屬（Pt）和鉻氧化物（CrO_x）為基礎的異相氧化物催化劑。然而，這些催化劑存在一些缺點，依賴于昂貴的貴金屬以及由于碳沉積導致的毒性和嚴重失活。這些局限性促使研究人員尋找更具成本效益和環境友好的氧化物催化劑。因此，開發高效、選擇性強且穩定的催化劑用于PDH反應顯得尤為重要。

二、【創新成果】

近日，天津大學鞏金龍教授提出了一種新型的Ni@TiO_x催化劑，該催化劑結合了地球豐富的鎳（Ni）和鈦氧化物（TiO_?），在高溫下表現出優異的催化性能。該催化劑在丙烷脫氫反應中實現了94%的丙烯選擇性，并在工業條件下保持了良好的穩定性。研究還探討了缺陷鈦氧化物（TiO_x）表層的獨特性質如何增強催化活性，提供了對催化機制的深入理解。該項工作在Science上發表，題為“Defective TiO_x overlayers catalyze propane dehydrogenation promoted by base metals”。

圖1 Ni納米粒子上形成TiO_x層的證據@2024 AAAS

圖2 Ni/Al₂O₃、TiO_x/Al₂O₃和Ni@TiO_x/Al₂O₃催化劑的PDH催化性能@2024 AAAS

圖3 界面處有氧空位（O_v）的配位不飽和Ti_4C位點的表征@2024 AAAS

圖4 動力學相關性和DFT計算@2024 AAAS

三、【科學啟迪】

該成果開發出一種新型的Ni@TiO_x催化劑，用于PDH反應，表現出高達94%的丙烯選擇性和優異的穩定性。這種催化劑克服了傳統催化劑在成本和環境友好性方面的不足。這項研究提供了對金屬與金屬氧化物相互作用的深入理解，揭示了缺陷TiO_x表層的催化活性及其在C-H鍵活化中的作用。研究表明，金屬的電子效應可以顯著提高催化性能，這為設計更具成本效益和環境友好的催化劑提供了新的思路和方向，推動了可持續化學過程的研究。

原文詳情：Sai Chen et al., Defective TiO_x overlayers catalyze propane dehydrogenation promoted by base metals. Science 385, 295-300(2024).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp7379