中國金宝搏入口188揭示丙烷脫氫催化劑的結構演變新機制
近日，188bet足球曾杰教授團隊聯合電子科技大學李旭研究員在丙烷脫氫反應中的金屬催化劑結構演變方向取得新進展。研究人員制備了一種二氧化硅負載的鉑銦合金團簇催化劑，首次發現在高濃度的丙烯誘導下，無序的鉑銦合金團簇演變為鉑銦金屬間化合物，展現出的丙烷脫氫反應活性超越大多數鉑基催化劑。相關成果以“Reaction-induced dynamic evolution of PtIn/SiO2catalyst for propane dehydrogenation”為題發(fa)表于《自然(ran)·通(tong)訊》。
在(zai)多相催(cui)化(hua)(hua)反應中，催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)并非(fei)一(yi)(yi)成不變(bian)，往(wang)往(wang)經歷著結構變(bian)化(hua)(hua)。在(zai)溫度(du)和氣氛的影響下，催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)的活性(xing)金(jin)屬和載體(ti)會發生原子重(zhong)(zhong)排、晶面(mian)重(zhong)(zhong)構等一(yi)(yi)系列現象(xiang)，進而(er)(er)導(dao)致(zhi)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)性(xing)能被顯著改變(bian)。揭示催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)結構演變(bian)過(guo)程(cheng)對識別活性(xing)位點(dian)以及建(jian)立構效(xiao)關系的意(yi)義(yi)不言而(er)(er)喻。在(zai)丙烷脫氫反應中，合金(jin)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)結構演變(bian)的誘因一(yi)(yi)般(ban)被認為是高溫和氫氣，而(er)(er)產(chan)物丙烯在(zai)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)結構演變(bian)中所扮演的角色尚不清晰。
研究人(ren)員利(li)用(yong)溶液相的(de)(de)分步強靜電吸附法在(zai)二氧(yang)(yang)化硅表面(mian)依次(ci)負載銦和鉑(bo)，并經過高溫氫氣還(huan)原獲得合(he)金(jin)團(tuan)簇(cu)。一系列譜學實驗(yan)結果表明(ming)，僅有少量(liang)銦被還(huan)原并與(yu)鉑(bo)合(he)金(jin)化。在(zai)所形成的(de)(de)鉑(bo)銦合(he)金(jin)團(tuan)簇(cu)中(zhong)，銦更傾向(xiang)于分布在(zai)表面(mian)。同時，存在(zai)于鉑(bo)銦合(he)金(jin)與(yu)二氧(yang)(yang)化硅載體之間(jian)的(de)(de)氧(yang)(yang)化銦物種被證明(ming)能夠有效抑制鉑(bo)銦合(he)金(jin)的(de)(de)燒結（圖1）。
圖1 催化劑結構表征
催化測試結果表(biao)明，鉑銦(yin)合(he)金催化劑(ji)在(zai)高(gao)濃度的丙烷(wan)氣氛中(zhong)(zhong)顯示出明顯的活化誘導期。催化劑(ji)的初(chu)始活性雖然很低，但隨著測試時間延長迅速升高(gao)，并基(ji)本保持穩定。該催化劑(ji)穩定狀態(tai)下的活性超過文獻中(zhong)(zhong)絕大(da)多數鉑基(ji)催化劑(ji)，并比已(yi)報(bao)道的鉑銦(yin)合(he)金的活性高(gao)出一個數量級(ji)。
研究人員通(tong)過表(biao)征反(fan)應后(hou)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)的結構發現，在高濃度的丙烯產物(wu)(wu)誘(you)導(dao)(dao)下，大量(liang)銦(yin)物(wu)(wu)種(zhong)從催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)中揮發并凝固(gu)在石英管(guan)末端，這導(dao)(dao)致了活性位(wei)點鉑(bo)的暴露以及誘(you)導(dao)(dao)期的出現。鉑(bo)銦(yin)合(he)(he)金團簇(cu)逐漸演變(bian)為平均尺寸僅為1.3納米的鉑(bo)銦(yin)金屬間化(hua)(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)，超小的尺寸來(lai)源于界(jie)面(mian)處氧化(hua)(hua)(hua)銦(yin)物(wu)(wu)種(zhong)帶來(lai)的抗燒結性能。上述研究強調了催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)動態結構演變(bian)中催(cui)化(hua)(hua)(hua)產物(wu)(wu)扮(ban)演著不可(ke)忽視的重要(yao)角色(se)，為高性能丙烷脫氫催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)的理(li)性設計提供(gong)了新(xin)的視角（圖2）。
圖2 丙烷脫氫反應性能以及反應過程中的催(cui)化劑動(dong)態結構演變
該(gai)項(xiang)研究受到(dao)科技部(bu)、國(guo)家(jia)自(zi)然(ran)科學(xue)基(ji)金委(wei)、中國(guo)科學(xue)院等項(xiang)目資助(zhu)。李旭(xu)、曾(ceng)杰(jie)為該(gai)論文(wen)的(de)通訊作者(zhe)(zhe)，博士(shi)生(sheng)周濤、特任副研究員嚴(yan)涵為論文(wen)的(de)共同第一作者(zhe)(zhe)。
論文鏈接：//doi.org/10.1038/s41467-025-60153-1
（合肥微尺(chi)度物質(zhi)科學國家研究中(zhong)心(xin)、科研部）
