哥伦比亚大学化学工程系 | 丙烷脱氢的深入研究：双金属催化剂的不同效果

丙烯在常温下是一种无色气体，具有易燃、有毒、不溶于水、应用广等特点。作为极其重要的化工原料，丙烯主要被用于制备聚丙烯、异丙烯、丙酮以及环氧丙烷等化合物，同时也被用于生产一些化工原料、合成树脂和合成橡胶等。随着世界工业化的发展，依靠石油蒸汽裂解和催化裂化的方法制备的丙烯已经满足不了日益增长的需求，同时，石油资源的消耗也使得丙烯供需矛盾日益突出。因此，发展一条经济、环保的非石油路线以增产丙烯具有极为重要的现实意义。现阶段，通过丙烷脱氢制备丙烯是比较有希望大规模生产丙烯的方法。如已经实现工业化的丙烷直接脱氢法（DDP），受热力学平衡限制，丙烷直接脱氢法的转化率难以提高，催化剂容易失活，同时丙烷脱氢反应热力学驱动力较小，反应过程需要大量的能量。与直接脱氢法相比，丙烷的氧化脱氢法具有焓变小于零、过程为放热反应及能耗低等特点，可以克服热力学平衡限制并延长催化剂实用寿命。CO2作为一种温和的氧化剂，在丙烷的氧化脱氢反应中会改变其脱氢途径，同时CO2可以通过消耗H2来提高底物转化率。

近日，哥伦比亚大学化学工程系的Jingguang G. Chen（陈经广）教授研究了二氧化铈负载的双金属催化剂对丙烷与二氧化碳反应的催化效果。一般而言，丙烷和二氧化碳的反应有两种途径，一种为丙烷的氧化脱氢（CO2-ODHP, 式1），另一种为丙烷的干气重整（DRP，式2）。反应中这两种途径是一起发生的，但是它们对丙烷的转化率天差地别，因此了解催化剂在反应中主要催化丙烷与二氧化碳通过哪种途径进行反应对提高丙烷的转化率具有重要的作用。作者发现Fe3Ni催化的丙烷和二氧化碳反应主要为CO2-ODHP途径，而Ni3Pt则是主要是DRP途径。该成果以“Combining CO2 reduction with propane oxidative dehydrogenation over bimetallic catalysts”为题发表于《自然通讯》（DOI: 10.1038/s41467-018-03793-w）

表1. 催化剂对二氧化碳和丙烷反应的催化效果

（图片来源：Nat. Commun. 2018, 9, 1398）

作者首先利用等体积浸渍法制备了二氧化铈负载的Fe3Ni、Fe3Pt及Ni3Pt等催化剂，并通过连续反应器探究了这些催化剂对二氧化碳和丙烷反应的催化效果。结果表明，尽管单独的Fe3对于反应没有催化效果，但是Fe3Ni双金属催化剂表现出了良好的催化活性及选择性；相较与Fe3Ni，含有贵金属的Fe3Pt不仅催化活性更低，其选择性及稳定性也不如Fe3Ni；而Ni和Pt的结合则会提高催化剂对DRP途径的选择性。此外，作者通过XANES发现在反应条件下，Ni和Pt是以单质形式存在，而Fe在Fe3Ni催化剂中则是以氧化态存在的。

图1. 催化剂的XANES图谱

（图片来源：Nat. Commun. 2018, 9, 1398）

此外，为了进一步了解二氧化碳和丙烷的两种反应途径，作者通过DFT计算了C-H键及C-C键断裂的能量，结果发现C-C键的断裂偏向于发生在Ni3Pt的表面，而C-H键的断裂则偏向于发生在Fe3Ni和FeO/Ni的表面。

图2. 催化剂催化二氧化碳和丙烷反应的DFT计算结果

（图片来源：Nat. Commun. 2018, 9, 1398）

全文作者：Gomez, Elaine, Kattel, Shyam, Yan, Binhang, Yao, Siyu, Liu, Ping, Chen, Jingguang G.

通讯作者：