烷烴脫氫反應(yīng)催化劑研究取得進(jìn)展

烯烴作為一種重要的有機(jī)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(shù)脂的合成中。工業(yè)上苯乙烯主要是在過(guò)量過(guò)熱水蒸氣的保護(hù)下，由鉀促進(jìn)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(jì)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(diǎn)。
　　MXene作為一種新型的過(guò)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(guò)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(chǔ)能，復(fù)合材料增強(qiáng)、潤(rùn)滑、電磁屏蔽等領(lǐng)域的研究。
　　近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所催化材料研究部副研究員劉洪陽(yáng)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(dá)到了92μmol m-2 h-1，苯乙烯選擇性達(dá)到了97.5%，要遠(yuǎn)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(guò)多種表征手段和第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)以刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的C-Ti-O官能團(tuán)作為脫氫活性位，依次脫去乙苯分子中乙基上的兩個(gè)氫原子而得到苯乙烯。同時(shí)，MXene材料的層狀結(jié)構(gòu)也有利于反應(yīng)過(guò)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(xiàng)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(kāi)發(fā)提供了新的選擇。該成果于近日發(fā)表于ACS Catalysis。
　　該項(xiàng)工作得到國(guó)家基金委青年基金、國(guó)家基金委面上項(xiàng)目、國(guó)家基金委“碳基能源轉(zhuǎn)化”重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米專項(xiàng)”青年科學(xué)家項(xiàng)目、中科院青年促進(jìn)會(huì)、中科院金屬所以及中石化企業(yè)項(xiàng)目的支持。