中国丙烷脱氢研究取得新突破

【来源：中国化工报】

2月6日，从天津大学化工学院获悉，近日，国际化学领域顶级期刊《美国化学会志》以封面文章形式，发表了中国科研团队在丙烷脱氢催化剂研究中的重要突破。

天津大学化工学院刘国柱教授团队与太原理工大学、南开大学的研究团队合作，成功研制出一种锗取代沸石封装铱单原子催化剂(IrGe@S-1)，在国际上首次实现铱单原子在丙烷脱氢反应中的超长期稳定运行。该研究通过“刚柔并济”的设计思路，为攻克丙烷脱氢催化剂高温易失活这一世界性难题提供了新路径。

丙烯是现代化工的关键基础原料，被誉为石化工业的“基石”。全球通过丙烷脱氢工艺生产的丙烯市场规模达数百亿美元，已成为增长最为迅速的丙烯生产路线之一。

在丙烷脱氢装置这个庞大的工业“心脏”中，催化剂是其最核心的“瓣膜”。目前，全球丙烷脱氢工业装置常规采用的铂(Pt)基、铬(Cr)基两类传统催化剂，在高达550-650℃的反应“熔炉”中，面临活性中心“积碳覆盖”与“烧结团聚”两大核心挑战，逐渐失去催化活性。催化剂的性能直接决定了装置能连续稳定运行多久，是影响整个装置生产效率和经济效益的关键命脉。

当前，全球学者从提升金属效率、开发替代金属、探索全新反应路径、以及强化催化剂稳定性等多条路径同步研究。其中，单原子催化剂因其能够显著降低“积碳覆盖”，将贵金属原子利用效率推向理论极限而备受瞩目。然而，单原子催化剂容易“烧结团聚”，即在高温反应条件下极易迁移团聚而失活，只有保持其长期稳定性，才能发挥单原子催化剂的最大效用。

面对这一挑战，天津大学化工学院刘国柱教授团队采用“刚柔并济”的策略，实现了铱单原子在丙烷脱氢反应中超过800小时的超长稳定运行，具备极高的活性、优异的选择性与抗积碳性，为攻克上述难题提供了原创性解决方案。

研究团队创造性地在纯硅沸石骨架中掺入锗原子。锗的引入，像在沸石骨架中建造了更牢固的“锚桩”，与铱单原子形成极强的化学键，将铱原子牢牢“锁”在特定位置，使其在高温下也难以移动团聚，实现了“刚”性锚定。

研究发现，在反应过程中，通入的丙烷分子会与催化剂发生动态相互作用，“诱导”催化剂生成富含电子的低氧化态铱活性中心。这种“活”的结构，恰恰是高效切断丙烷分子中C-H键的关键，也即“柔”性活化。

“这种‘刚性骨架固定，柔性电子调变’的设计，使得催化剂在严苛环境中既能保持结构稳定，又能展现超高活性。”对于催化剂的设计巧思，论文共同一作、天津大学化工学院博士生宋明霞这样解释。

对于该项成果的工业化应用潜力，论文通讯作者、团队负责人刘国柱教授表示，“该催化剂适配性强，其‘超长单程运行’特性可大幅降低现有装置的停车再生频率，有力提升生产连续性与运行效率。依托该催化剂卓越的催化性能，有望推动新一代高效率、低能耗丙烷脱氢装置的研发与设计。”

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