編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

負(fù)載型貴金屬團(tuán)簇催化劑通常在還原和氧化氣氛之間切換的嚴(yán)苛條件下運(yùn)行,這會(huì)導(dǎo)致催化劑結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的轉(zhuǎn)變,從而造成永久性失活。

2025 年 4 月 10 日,福州大學(xué)/清源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室鮑曉軍教授團(tuán)隊(duì)與福州大學(xué)朱海波教授團(tuán)隊(duì)(博士生洪惠真、博士后徐志康為共同第一作者)合作,在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為:A self-regenerating Pt/Ge-MFI zeolite for propane dehydrogenation with high endurance 的研究論文。

該研究在丙烷脫氫催化劑領(lǐng)域取得重大研究進(jìn)展,開(kāi)發(fā)了一種用于丙烷脫氫且具有高耐久性的自再生 Pt/Ge-MFI 催化劑。

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頁(yè)巖氣革命和“雙碳”戰(zhàn)略推動(dòng)了丙烷脫氫(PDH)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使其成為定向生產(chǎn)丙烯的主流路線。負(fù)載型鉑(Pt)團(tuán)簇是PDH技術(shù)的主要催化劑。然而,Pt團(tuán)簇在苛刻服役工況下極易發(fā)生燒結(jié)失活,為此工業(yè)上必須頻繁地在氧、氯混合氣氛中通過(guò)氯誘導(dǎo)Pt顆粒再分散,同時(shí)燒除積炭,以恢復(fù)其催化活性。這不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備腐蝕和含氯污染物生成,還會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。因此,創(chuàng)制無(wú)氯條件下自再生的Pt基催化劑,一直是催化科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的重大課題。


在這項(xiàng)最新研究中,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),類金屬(Ge)分子篩負(fù)載的Pt催化劑具有獨(dú)特的環(huán)境適應(yīng)能力:在丙烷脫氫(PDH)反應(yīng)的還原氣氛中,Pt1單原子組裝為Pt8團(tuán)簇;而在高溫氧化氣氛中,Pt8團(tuán)簇又可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)镻t1單原子。進(jìn)一步研究表明,Ge-分子篩在氧化氣氛中具有奇特的“捕獲”P(pán)t的能力,被捕獲的Pt在Ge-分子篩上發(fā)生逆Ostwald熟化,進(jìn)而自發(fā)分散成Pt1單原子。


研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此提出了一種簡(jiǎn)單、高效的PDH催化劑制備方法,即對(duì)Ge-分子篩與Pt的任意前驅(qū)體(包括金屬Pt粉、H2PtCl6鹽)混合物進(jìn)行高溫處理,即可制備出高耐久性、自再生的Pt/Ge-分子篩PDH催化劑。該催化劑在“脫氫反應(yīng)-燒炭再生”循環(huán)中表現(xiàn)出“Pt8團(tuán)簇? Pt1單原子”動(dòng)態(tài)可逆轉(zhuǎn)化。尤為重要的是,其在800 °C氧化環(huán)境中連續(xù)處理長(zhǎng)達(dá)10天后催化劑孔道內(nèi)的Pt物種依然保持穩(wěn)定,首次實(shí)現(xiàn)了在無(wú)氯氧化氣氛中超百次的完全再生。


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Pt/Ge-分子篩在丙烷脫氫反應(yīng)中的超百次完全再生(上圖)、自發(fā)分散制備和自我再生機(jī)理(下圖)

這項(xiàng)研究不僅為烷烴脫氫Pt催化劑的設(shè)計(jì)和制備提供了科學(xué)理論,還為高溫抗燒結(jié)金屬團(tuán)簇(銠、釕、銥和鈀團(tuán)簇)催化劑的研發(fā)開(kāi)辟了一種穩(wěn)健且通用的方法。

論文鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6907