天津大学巩金龙Science:高效的丙烷脱氢催化剂

一、【科学背景】

丙烯是重要的化工原料，广泛用于塑料、合成纤维和其他化学品的生产。传统的丙烯生产方法，存在资源消耗大和环境影响等问题。丙烷脱氢（PDH）作为生产丙烯的重要替代方法，当前主要的商业催化系统是以贵金属（Pt）和铬氧化物（CrO_x）为基础的异相氧化物催化剂。然而，这些催化剂存在一些缺点，依赖于昂贵的贵金属以及由于碳沉积导致的毒性和严重失活。这些局限性促使研究人员寻找更具成本效益和环境友好的氧化物催化剂。因此，开发高效、选择性强且稳定的催化剂用于PDH反应显得尤为重要。

二、【创新成果】

近日，天津大学巩金龙教授提出了一种新型的Ni@TiO_x催化剂，该催化剂结合了地球丰富的镍（Ni）和钛氧化物（TiO_₂），在高温下表现出优异的催化性能。该催化剂在丙烷脱氢反应中实现了94%的丙烯选择性，并在工业条件下保持了良好的稳定性。研究还探讨了缺陷钛氧化物（TiO_x）表层的独特性质如何增强催化活性，提供了对催化机制的深入理解。该项工作在Science上发表，题为“Defective TiO_x overlayers catalyze propane dehydrogenation promoted by base metals”。

图1 Ni纳米粒子上形成TiO_x层的证据@2024 AAAS

图2 Ni/Al₂O₃、TiO_x/Al₂O₃和Ni@TiO_x/Al₂O₃催化剂的PDH催化性能@2024 AAAS

图3 界面处有氧空位（O_v）的配位不饱和Ti_4C位点的表征@2024 AAAS

图4 动力学相关性和DFT计算@2024 AAAS

三、【科学启迪】

该成果开发出一种新型的Ni@TiO_x催化剂，用于PDH反应，表现出高达94%的丙烯选择性和优异的稳定性。这种催化剂克服了传统催化剂在成本和环境友好性方面的不足。这项研究提供了对金属与金属氧化物相互作用的深入理解，揭示了缺陷TiO_x表层的催化活性及其在C-H键活化中的作用。研究表明，金属的电子效应可以显著提高催化性能，这为设计更具成本效益和环境友好的催化剂提供了新的思路和方向，推动了可持续化学过程的研究。

原文详情：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