新型选择性催化剂可实现丙烷脱氢

一组日本科学家研制出了一种超稳定的选择性催化剂,可以使丙烷脱氢,即使在超过600摄氏度的温度下也不会失活。脱氢是生产关键石化物质丙烯的必要过程。

在新开发的催化剂(PtGa-Pb / SiO2)的表面上,Pt1位保持暴露以促进催化反应,而三角形显示的Pt3位(和Ga3位)被Pb阻挡。图片来源:Yuki Nakaya等人,Nature Communications

研究背景

丙烯是塑料、合成橡胶、表面活性剂、染料和药品的重要原料。近年来,对由页岩制造的丙烷生产的丙烯的需求不断增加。

要获得足够的丙烯产率,需要超过600摄氏度的反应温度,但在如此恶劣的条件下,由于积碳和/或烧结,严重的催化剂失活是不可避免的。因此,实际使用的催化剂必须连续或在短周期内再生,这使得这个过程效率低且成本高。

现阶段研究状况

在目前的研究中,包括北海道大学催化研究所的硕士学生Yuki Nakaya和副教授Shinya Furukawa在内的研究小组重点研究了具有独特性质和结构的铂(Pt)和镓(Ga)的金属间化合物(PtGa)。

PtGa具有很高的热稳定性,即使在高温下结构也不会改变。已知其表面有两种催化位点:一种是三个Pt原子的位点(Pt3位点),另一种是单原子分离的Pt位点(Pt1位点)。

研究小组假设,如果Pt3位点(除了产生丙烯外,Pt3还促进碳沉积)被关闭,只允许Pt1位点发挥作用,催化剂将具有超稳定性,也能够防止碳沉积。本小组尝试了各种金属和催化剂合成方法,只保留了Pt1的位点功能。

研究结果及意义

新开发的催化剂(PtGa-Pb /二氧化硅),通过添加铅(Pb) PtGa表面,展品没有失活使脱氢丙烷600度c催化剂时保持最初的转化率为30%反应开始后的96小时,比传统催化剂更稳定。丙烯选择性高达99.6%,几乎没有副反应,包括碳沉积。

结果表明,该催化剂在580摄氏度或更高的温度下具有世界上最好的性能。特别是它的使用寿命是之前报道的催化剂使用寿命的两倍多。

此外,这种催化剂的生产成本与传统催化剂一样低。他们的结构分析证实,Pb覆盖了Pt3位点,而不是Pt1位点。

Furukawa说:“我们的发现可能会导致一种更有效、更廉价的工业工艺,即不需要催化剂再生就能从丙烷中生产丙烯,这种工艺在选择性和稳定性方面都比传统工艺优越得多。”此外,该方法还可应用于乙烷、异丁烷等其他低烷烃的脱氢,对石化工业的发展有一定的促进作用。

文章来源:phys.org