烷烴脫氫反應(yīng)催化劑研究取得進展

烯烴作為一種重要的有機物單體原料，與人類的日常生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。例如，乙烯、丙烯和苯乙烯等被廣泛用于各種工程塑料、橡膠、樹脂的合成中。工業(yè)上苯乙烯主要是在過量過熱水蒸氣的保護下，由鉀促進的氧化鐵催化劑催化乙苯脫氫制得。這種傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法需要消耗大量的能源和水資源，不利于綠色經(jīng)濟的發(fā)展。因此，探索和研制新型的催化材料并降低反應(yīng)能耗一直是工業(yè)脫氫領(lǐng)域研究的重點。
　　MXene作為一種新型的過渡金屬碳化物二維晶體，具有和石墨烯類似的結(jié)構(gòu)。它可以通過氫氟酸刻蝕層狀陶瓷材料MAX相獲得，具有優(yōu)異的力學(xué)、電子、磁學(xué)等性能，主要被用于電化學(xué)儲能，復(fù)合材料增強、潤滑、電磁屏蔽等領(lǐng)域的研究。
　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所催化材料研究部副研究員劉洪陽和博士刁江勇等人組成的低碳烷烴活化研究小組與副研究員李波、研究員王曉輝合作，將Ti3C2TxMXene材料用于乙苯脫氫制苯乙烯反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)單位比表面積的MXene材料的乙苯脫氫活性達到了92μmol m-2 h-1，苯乙烯選擇性達到了97.5%，要遠高于目前已知的高活性非金屬脫氫催化劑，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。通過多種表征手段和第一性原理計算，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)以刻蝕過程中產(chǎn)生的C-Ti-O官能團作為脫氫活性位，依次脫去乙苯分子中乙基上的兩個氫原子而得到苯乙烯。同時，MXene材料的層狀結(jié)構(gòu)也有利于反應(yīng)過程中的傳熱和傳質(zhì)，從而使該催化劑具有較高的比活性和穩(wěn)定性。
　　該項工作是首次將MXene材料用作烷烴脫氫反應(yīng)的催化劑，并成功揭示了該催化劑催化烷烴脫氫的活性位和反應(yīng)路徑，從而為工業(yè)烷烴脫氫催化劑的開發(fā)提供了新的選擇。該成果于近日發(fā)表于ACS Catalysis。
　　該項工作得到國家基金委青年基金、國家基金委面上項目、國家基金委“碳基能源轉(zhuǎn)化”重大研究計劃培育項目、科技部重點研發(fā)計劃“納米專項”青年科學(xué)家項目、中科院青年促進會、中科院金屬所以及中石化企業(yè)項目的支持。