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化工学院刘小浩团队在《ACS Catalysis》发表“乙烷无氧催化脱氢高效制乙烯”的最新研究成果

发布日期:2021-10-14  来源:化学与材料工程学院   文图:胥月兵 审核:董玉明、潘庆伟

近日,我校化工学院刘小浩教授团队在设计非贵金属催化乙烷可控无氧脱氢高效制乙烯的研究中取得重要进展,研究成果在催化领域顶级期刊《ACS Catalysis》上发表(ACS Catal.2021, 11, 13001-13019)。该论文化工学院胥月兵副教授为第一作者,刘小浩教授为通讯作者。《ACS Catalysis》是美国化学会的旗舰期刊,主要刊登催化化学领域高水平的研究成果,属于化学学科Top期刊与中科院1区期刊。

低碳烷烃(乙烷、丙烷和丁烷)广泛来自于天然气、页岩气和炼厂气等,其附加值较低但属于“低碳”(高H/C比)碳资源。通过可控活化C-H键和抑制C-C键断裂,将它们直接转化为高附加值的烯烃产品是低碳烷烃资源化高效利用的重要途径。工业上,以乙烷为原料制乙烯主要采用高温(800~1000°C)热裂解技术路线,具有能耗高、乙烯产物选择性低、投资成本高和操作条件苛刻等问题。丙烷脱氢主要采用铂(Pt)基和铬(Cr)基两类催化体系,前者价格昂贵且铂物种易发生烧结团聚导致催化剂失活,后者因铬元素对环境有害而逐渐被限制使用。因此,开发廉价、环境友好的高效烷烃无氧脱氢催化剂实现低碳烷烃低温(400~600°C)可控催化脱氢制烯烃副产氢气不仅能促进“双碳”(2030年碳达峰,2060年碳中和)目标的实现,同时也是一项极具挑战性的基础性研究课题。

有效抑制低碳烷烃中C-C键的断裂,而选择性地活化C-H键是获得高的目标产物烯烃选择性和高的催化剂稳定性的关键。我校化工学院刘小浩教授团队基于C-H键可控活化机制的深刻认识和理解(Chem. Commun., 2020, 56, 4396-4399J. Catal., 2020, 387, 102-118J. Catal., 2021, 396, 224-241),设计合成了SAPO-34分子筛内孔道中孤立稳定的Co(II)活性中心(-AlF-O-Co(II)-O-AlF-)(如图1所示),并将该Co/SAPO-34催化剂用于催化乙烷无氧脱氢制乙烯的反应。实验、表征及DFT计算结果表明:合成的孤立单位点Co(II)物种能够在反应气氛中稳定存在,具有与传统贵金属铂基催化剂可比较的催化活性(TOF);与金属态Co cluster相比较,其能够有效抑制烷烃分子中C-C键的断裂以及C-H键活化,避免生成甲烷副产物和积碳失活,从而获得了高于98%的乙烯选择性,且100 h循环催化评价试验表明催化剂具有优异的稳定性(如图2所示)。此外,实验和计算结果也证实限域在分子筛孔道内表面的钴物种与孔道外的Co cluster相比较,具有更低的C-C键和C-H键活化能力,有利于实现低碳烷烃可控脱氢制烯烃。该项研究工作为构建新型高效的低碳烷烃无氧脱氢催化剂提供了思路和重要理论基础。

上述研究得到国家自然科学基金(21606108, 21576119, 21878127)、内蒙古自治区关键技术攻关计划(2019GG321)和鄂尔多斯市重大专项等项目的资助。

催化剂中Co物种的化学状态表征结果

Co/SAPO-34催化剂中钴物种落位及状态对催化乙烷无氧脱氢反应的影响

阅读( (编辑:胥月兵)

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