最新Science:串联耦合机制，开辟新途径

一、 【导读】
丙烯作为化工行业的基础化合物，通常通过石脑油的流裂解来生产，这是一种能耗较高的过程。从页岩气中获得的丙烷可以通过丙烷直接脱氢反应(PDH)转化为丙烯，但是该反应具有较高的吸热性并且在热力学平衡方面存在严重限制。另一种选择是丙烷热催化氧化脱氢反应(ODH)，但要实现商业化，必须要克服丙烯过度氧化为CO₂的问题。根据勒夏特列原理，选择性地从产物中去除H₂将使平衡向丙烯方向移动。与氢渗透选择性膜反应器和金属氢化物相比，选择性的H₂燃烧还具有热释放的额外优势，并且可以与现有的工业PDH过程完美整合。然而，O₂共进料催化系统存在固有的安全隐患和空气分离过程能耗较高的缺点。
可还原金属氧化物的晶格氧可以作为固体氧载体，在无氧条件下实现选择性氢燃烧(SHC)。Bi₂O₃、In₂O₃、V₂O₅、Fe₂O₃、MoO₃和掺杂的CeO₂等氧载体的可行性已经得到广泛验证。然而，仍存在一些限制，如氧化还原稳定性差、低氧存储容量(OSC)和有限的氢燃烧选择性，阻碍了其潜在的商业应用。此外，在分子水平上实现脱氢位点和氢燃烧位点之间的精确通信行为，以介导串联PDH-SHC反应仍然是一个挑战。

二、 【成果掠影】
天津大学巩金龙教授等人将化学链选择性H₂燃烧和PDH与多功能FeVO₄-VO_x氧化还原催化剂相结合。均匀分散在Al₂O₃上的VO_x提供了脱氢反应位点，而相邻的纳米级FeVO₄则作为氧载体进行随后的H₂燃烧。基于催化实验、光谱表征和理论计算，提出了一种通过氢溢出介导的耦合机制。在VO_x位点生成的氢中间体会迁移到相邻的FeVO₄位点进行燃烧，从而促使PDH向丙烯转化。相关的研究成果以“Tandem propane dehydrogenation and surface oxidation catalysts for selective propylene synthesis”发表在Science上。

三、【核心创新点】
1. 提出了一种通过氢溢出介导的耦合机制。
2. 在550°C下实现了42.7%的丙烷转化率和81.3%的丙烯选择性。

四、 【数据概览】

图1 30FeV-3V/Al串联催化剂的表征。© 2023 AAAS

图2 串联催化剂的催化性能。© 2023 AAAS

图3 氢溢出介导的PDH和CL-SHC耦合。© 2023 AAAS

五、【成果启示】
本文通过多功能串联氧化还原催化剂，在纳米尺度上展示了氢气溢出介导的PDH和CL-SHC的耦合。并且研究了从毫米尺度到纳米尺度的不同位点的串联模式，验证了丙烯生产的选择性取决于氧化物间的亲密度。实验和理论分析表明，在VO_x位点形成的氢中间体会迁移到相邻的FeVO₄载氧体上进行燃烧，从而改善了PDH与CL-SHC的串联过程。许多与工业相关的化学转化过程具有吸热和平衡限制的特点，期待这种氢气溢出辅助的CL-SHC和串联催化机制能为指导过程强化开辟出新的途径。

文献链接：Tandem propane dehydrogenation and surface oxidation catalysts for selective propylene synthesis. Science. 2023.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi3416
本文由辞书供稿