導(dǎo)讀

近日，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院教授定明月團(tuán)隊(duì)在Angewandte Chemie International Edition（《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》）在線發(fā)表了化學(xué)鏈乙烷氧化脫氫制乙烯的最新研究成果，論文題目為“Suppressing metallic Co0formation in Co-based catalyst by in-situ selective H2oxidation for efficient ethane dehydrogenation”。定明月和副教授田鑫為論文共同通訊作者，2025屆博士畢業(yè)生張東紅與博士研究生張炳震為共同第一作者，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院為第一署名及通訊單位。

乙烯作為全球產(chǎn)量最大的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)品，在石油化工產(chǎn)業(yè)中占據(jù)核心地位，是多種大宗化學(xué)品和高分子材料的重要原料。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，乙烯生產(chǎn)正逐步由傳統(tǒng)石腦油蒸汽裂解路線向乙烷催化脫氫路線轉(zhuǎn)型。然而，現(xiàn)有商業(yè)脫氫催化劑多依賴Pt基或Cr基材料，普遍存在成本較高及環(huán)境不友好等問題。鈷基催化劑因其優(yōu)異的C–H鍵活化能力而受到廣泛關(guān)注，但在乙烷脫氫過程中所產(chǎn)生的高濃度H?氣氛易將活性Co物種（Co2?）還原為金屬態(tài)Co0，進(jìn)而引發(fā)積碳并導(dǎo)致催化劑快速失活。此外，乙烷脫氫反應(yīng)受熱力學(xué)平衡限制，在中低溫條件下難以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率。

原位H2移除強(qiáng)化鈷基催化劑乙烷脫氫制乙烯

為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新構(gòu)建了由CoOx/HZSM-5（Co/HZ）脫氫催化劑與CeO2修飾Bi2O3（CeBiOx）選擇性H2氧化氧載體組成的串聯(lián)催化體系。在化學(xué)鏈反應(yīng)模式下，CeBiOx能夠?qū)2進(jìn)行原位選擇性氧化，有效抑制Co2+物種向金屬態(tài)Co0的還原，同時(shí)推動(dòng)脫氫反應(yīng)平衡正向移動(dòng)。在600oC條件下，優(yōu)化的0.24CeBiOx–Co/HZ體系實(shí)現(xiàn)了40%的乙烷轉(zhuǎn)化率、80%的乙烯選擇性以及超過75%的H2原位轉(zhuǎn)化率。結(jié)合脈沖反應(yīng)測(cè)試、半原位表征及密度泛函理論計(jì)算，研究表明：CeBiOx載氧體通過原位選擇性消耗H?，抑制了活性鈷物種的過度還原，避免金屬Co?的生成，從而有效抑制積碳并提升乙烯產(chǎn)率。該工作通過構(gòu)建“催化脫氫-選擇性H2氧化”功能耦合體系，實(shí)現(xiàn)了活性位點(diǎn)穩(wěn)定性與反應(yīng)平衡調(diào)控的協(xié)同強(qiáng)化，為非貴金屬乙烷氧化脫氫催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的支持。

論文鏈接：http://doi.org/10.1002/anie.8471327

來源：武漢大學(xué)