丙烷脫氫的深入研究：雙金屬催化劑的不同效果

最新 04-17

文章作者：Grenemal

丙烯在常溫下是一種無色氣體，具有易燃、有毒、不溶於水、應用廣等特點。作為極其重要的化工原料，丙烯主要被用於製備聚丙烯、異丙烯、丙酮以及環氧丙烷等化合物，同時也被用於生產一些化工原料、合成樹脂和合成橡膠等。隨著世界工業化的發展，依靠石油蒸汽裂解和催化裂化的方法製備的丙烯已經滿足不了日益增長的需求，同時，石油資源的消耗也使得丙烯供需矛盾日益突出。因此，發展一條經濟、環保的非石油路線以增產丙烯具有極為重要的現實意義。現階段，通過丙烷脫氫製備丙烯是比較有希望大規模生產丙烯的方法。如已經實現工業化的丙烷直接脫氫法（DDP），受熱力學平衡限制，丙烷直接脫氫法的轉化率難以提高，催化劑容易失活，同時丙烷脫氫反應熱力學驅動力較小，反應過程需要大量的能量。與直接脫氫法相比，丙烷的氧化脫氫法具有焓變小於零、過程為放熱反應及能耗低等特點，可以克服熱力學平衡限制並延長催化劑實用壽命。CO2作為一種溫和的氧化劑，在丙烷的氧化脫氫反應中會改變其脫氫途徑，同時CO2可以通過消耗H2來提高底物轉化率。

近日，哥倫比亞大學化學工程系的Jingguang G. Chen（陳經廣）教授研究了二氧化鈰負載的雙金屬催化劑對丙烷與二氧化碳反應的催化效果。一般而言，丙烷和二氧化碳的反應有兩種途徑，一種為丙烷的氧化脫氫（CO2-ODHP, 式1），另一種為丙烷的干氣重整（DRP，式2）。反應中這兩種途徑是一起發生的，但是它們對丙烷的轉化率天差地別，因此了解催化劑在反應中主要催化丙烷與二氧化碳通過哪種途徑進行反應對提高丙烷的轉化率具有重要的作用。作者發現Fe3Ni催化的丙烷和二氧化碳反應主要為CO2-ODHP途徑，而Ni3Pt則是主要是DRP途徑。該成果以「Combining CO2reduction with propane oxidative dehydrogenation over bimetallic catalysts」為題發表於《自然通訊》（DOI: 10.1038/s41467-018-03793-w）

表1. 催化劑對二氧化碳和丙烷反應的催化效果

（圖片來源：Nat. Commun.2018,9, 1398）

作者首先利用等體積浸漬法製備了二氧化鈰負載的Fe3Ni、Fe3Pt及Ni3Pt等催化劑，並通過連續反應器探究了這些催化劑對二氧化碳和丙烷反應的催化效果。結果表明，儘管單獨的Fe3對於反應沒有催化效果，但是Fe3Ni雙金屬催化劑表現出了良好的催化活性及選擇性；相較與Fe3Ni，含有貴金屬的Fe3Pt不僅催化活性更低，其選擇性及穩定性也不如Fe3Ni；而Ni和Pt的結合則會提高催化劑對DRP途徑的選擇性。此外，作者通過XANES發現在反應條件下，Ni和Pt是以單質形式存在，而Fe在Fe3Ni催化劑中則是以氧化態存在的。