烯烴作為現(xiàn)代化工生產(chǎn)中高附加值化學(xué)品的關(guān)鍵原料,其高效制備對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有舉足輕重的影響。烷烴脫氫是目前直接制取烯烴的重要途徑之一,因其反應(yīng)路線簡(jiǎn)單、原子經(jīng)濟(jì)性高而受到廣泛關(guān)注。然而,傳統(tǒng)的烷烴脫氫工藝通常需要在極高的溫度下(>550°C)才能克服碳?xì)滏I(C-H)斷裂的巨大反應(yīng)能壘;而高溫條件不僅導(dǎo)致巨大的能源消耗,更易引發(fā)一系列包括碳碳(C-C)鍵斷裂、氫解反應(yīng)以及烴類聚合(積碳)等的副反應(yīng)。這些副反應(yīng)嚴(yán)重降低了目標(biāo)產(chǎn)物烯烴的選擇性,并導(dǎo)致催化劑快速燒結(jié)失活,大大縮短了其使用壽命。因此,如何設(shè)計(jì)出能夠在更低溫度下高效、穩(wěn)定運(yùn)行的新型脫氫催化劑,同時(shí)提升催化劑自身的C-H鍵活化能力,是該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。
近日,北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、南洋理工大學(xué)合作,在《Nature Catalysis》發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果。他們成功開發(fā)出一種新型Ir1Cu1雙金屬催化劑(Ir1Cu/ND@G),能夠在低溫條件下高效催化丁烷脫氫生成丁烯,并解決了催化劑易失活和再生困難的關(guān)鍵難題。
在450℃的反應(yīng)溫度下,該催化劑可使丁烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到22%,對(duì)C4烯烴的選擇性高達(dá)98%,其本征活性(TOF值)達(dá)到2.45 s-1,是單一 Ir 催化劑的6.3倍。顯著降低的反應(yīng)溫度有助于大幅減少能耗。
機(jī)理研究表明,Cu的引入使Ir原子呈富電子狀態(tài),增強(qiáng)了對(duì)反應(yīng)物的吸附能力,顯著降低了C–H鍵活化的能壘。此外,該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的可再生性能:在“反應(yīng)-再生”循環(huán)中,Ir和Cu物種可發(fā)生可逆的“團(tuán)聚-再分散”結(jié)構(gòu)變化,使其活性得以完全恢復(fù),突破了高溫下原子分散催化劑易燒結(jié)失活的技術(shù)瓶頸。

圖1. Ir1Cu/ND@G雙金屬催化劑的優(yōu)異反應(yīng)性能
本研究不僅為設(shè)計(jì)和開發(fā)高效、可再生的低溫烷烴脫氫催化劑提供了全新的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù),更通過(guò)解決傳統(tǒng)脫氫工藝中長(zhǎng)期存在的原子利用率低、能耗高以及催化劑再生性差等核心難題,為推動(dòng)綠色化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了積極影響。
中科院金屬研究所劉洪陽(yáng)教授、南洋理工大學(xué)蔡祥濱博士和馬丁教授為本文通訊作者。中科院金屬研究所陳曉雯研究員、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生王茂林、寧夏大學(xué)何育榮教授為本文共同第一作者。本工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、騰訊基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)、新基石研究員項(xiàng)目、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等資助。
原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41929-025-01328-3
聲明:化學(xué)加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的,并不意味認(rèn)同其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述。若有來(lái)源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益,請(qǐng)作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系,我們將及時(shí)更正、刪除,謝謝。 電話:18676881059,郵箱:gongjian@huaxuejia.cn