武汉大学定明月团队在化学链乙烷氧化脱氢领域取得新进展

导读

近日，武汉大学动力与机械学院教授定明月团队在Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）在线发表了化学链乙烷氧化脱氢制乙烯的最新研究成果，论文题目为“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为论文共同通讯作者，2025届博士毕业生张东红与博士研究生张炳震为共同第一作者，武汉大学动力与机械学院为第一署名及通讯单位。

乙烯作为全球产量最大的基础有机化学品，在石油化工产业中占据核心地位，是多种大宗化学品和高分子材料的重要原料。在“双碳”战略背景下，乙烯生产正逐步由传统石脑油蒸汽裂解路线向乙烷催化脱氢路线转型。然而，现有商业脱氢催化剂多依赖Pt基或Cr基材料，普遍存在成本较高及环境不友好等问题。钴基催化剂因其优异的C–H键活化能力而受到广泛关注，但在乙烷脱氢过程中所产生的高浓度H₂气氛易将活性Co物种（Co²⁺）还原为金属态Co0，进而引发积碳并导致催化剂快速失活。此外，乙烷脱氢反应受热力学平衡限制，在中低温条件下难以实现较高的转化率。

原位H2移除强化钴基催化剂乙烷脱氢制乙烯

为此，团队创新构建了由CoOx/HZSM-5（Co/HZ）脱氢催化剂与CeO2修饰Bi2O3（CeBiOx）选择性H2氧化氧载体组成的串联催化体系。在化学链反应模式下，CeBiOx能够对H2进行原位选择性氧化，有效抑制Co2+物种向金属态Co0的还原，同时推动脱氢反应平衡正向移动。在600ºC条件下，优化的0.24CeBiOx–Co/HZ体系实现了40%的乙烷转化率、80%的乙烯选择性以及超过75%的H2原位转化率。结合脉冲反应测试、半原位表征及密度泛函理论计算，研究表明：CeBiOx载氧体通过原位选择性消耗H₂，抑制了活性钴物种的过度还原，避免金属Co₀的生成，从而有效抑制积碳并提升乙烯产率。该工作通过构建“催化脱氢-选择性H2氧化”功能耦合体系，实现了活性位点稳定性与反应平衡调控的协同强化，为非贵金属乙烷氧化脱氢催化剂的设计提供了新思路。

该研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、深圳市自然科学基金及中央高校基本科研业务费的支持。

论文链接：http://doi.org/10.1002/anie.8471327

来源：武汉大学