近日,從天津大學化工學院獲悉,近日,國際化學領域頂級期刊《美國化學會志》以封面文章形式,發(fā)表了中國科研團隊在丙烷脫氫催化劑研究中的重要突破。

天津大學化工學院劉國柱教授團隊與太原理工大學、南開大學的研究團隊合作,成功研制出一種鍺取代沸石封裝銥單原子催化劑，在國際上首次實現(xiàn)銥單原子在丙烷脫氫反應中的超長期穩(wěn)定運行。該研究通過“剛柔并濟”的設計思路,為攻克丙烷脫氫催化劑高溫易失活這一世界性難題提供了新路徑,為我國高端催化劑的自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)鏈安全奠定了重要科學基礎。

丙烯是現(xiàn)代化工的關鍵基礎原料,被譽為石化工業(yè)的“基石”。從日常生活中的食品包裝、家電外殼、汽車內飾,到醫(yī)療器械、電子元件等高端領域,都離不開以丙烯為主要原料生產(chǎn)的聚丙烯等重要材料。據(jù)Fortune Business Insights 2026年1月發(fā)布的報告顯示,2023年全球丙烯市場規(guī)模已達約1213.4億美元,并保持穩(wěn)步增長,其中亞太地區(qū)是最大消費市場,占全球總消費量的62%以上。然而,全球丙烯生產(chǎn)仍較多依賴石油煉化副產(chǎn),其供應受煉油產(chǎn)業(yè)和乙烯生產(chǎn)調控的較大影響。

為提升丙烯供應的自主可控能力,我國近年來積極推動以丙烷為原料的丙烷脫氫工藝發(fā)展。該技術可將價格相對較低的丙烷直接轉化為高附加值的丙烯,有助于降低對進口原油的依賴,增強產(chǎn)業(yè)鏈安全性。當前,全球通過丙烷脫氫工藝生產(chǎn)的丙烯市場規(guī)模已達數(shù)百億美元,已成為增長最為迅速的丙烯生產(chǎn)路線之一。

在丙烷脫氫裝置這個龐大的工業(yè)“心臟”中,催化劑是其最核心的“瓣膜”。目前,全球丙烷脫氫工業(yè)裝置常規(guī)采用的鉑(Pt)基、鉻(Cr)基兩類傳統(tǒng)催化劑,在高達550-650℃的反應“熔爐”中,面臨活性中心“積碳覆蓋”與“燒結團聚”兩大核心挑戰(zhàn),逐漸失去催化活性。催化劑的性能直接決定了裝置能連續(xù)穩(wěn)定運行多久,是影響整個裝置生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的關鍵命脈。

當前,全球學者從提升金屬效率、開發(fā)替代金屬、探索全新反應路徑、以及強化催化劑穩(wěn)定性等多條路徑同步研究。其中,單原子催化劑因其能夠顯著降低“積碳覆蓋”,將貴金屬原子利用效率推向理論極限而備受矚目。然而,單原子催化劑容易“燒結團聚”,即在高溫反應條件下極易遷移團聚而失活,只有保持其長期穩(wěn)定性,才能發(fā)揮單原子催化劑的最大效用。

面對這一挑戰(zhàn),天津大學化工學院劉國柱教授團隊采用“剛柔并濟”的策略,實現(xiàn)了銥單原子在丙烷脫氫反應中超過800小時的超長穩(wěn)定運行,具備極高的活性、優(yōu)異的選擇性與抗積碳性,為攻克上述難題提供了原創(chuàng)性解決方案。

研究團隊創(chuàng)造性地在純硅沸石骨架中摻入鍺原子。鍺的引入,像在沸石骨架中建造了更牢固的“錨樁”,與銥單原子形成極強的化學鍵,將銥原子牢牢“鎖”在特定位置,使其在高溫下也難以移動團聚,實現(xiàn)了“剛”性錨定。

研究發(fā)現(xiàn),在反應過程中,通入的丙烷分子會與催化劑發(fā)生動態(tài)相互作用,“誘導”催化劑生成富含電子的低氧化態(tài)銥活性中心。這種“活”的結構,恰恰是高效切斷丙烷分子中C-H鍵的關鍵,也即“柔”性活化。

“這種‘剛性骨架固定,柔性電子調變’的設計,使得催化劑在嚴苛環(huán)境中既能保持結構穩(wěn)定,又能展現(xiàn)超高活性。”對于催化劑的設計巧思,論文共同一作、天津大學化工學院博士生宋明霞這樣解釋。

對于該項成果的工業(yè)化應用潛力,論文通訊作者、團隊負責人劉國柱教授表示,“該催化劑適配性強,其‘超長單程運行’特性可大幅降低現(xiàn)有裝置的停車再生頻率,有力提升生產(chǎn)連續(xù)性與運行效率。依托該催化劑卓越的催化性能,有望推動新一代高效率、低能耗丙烷脫氫裝置的研發(fā)與設計。”

當前,我國已成為全球最大的丙烯生產(chǎn)國和消費國,丙烷脫氫產(chǎn)能持續(xù)增長。在產(chǎn)業(yè)規(guī)�？焖贁U張的同時,核心催化技術的自主可控仍是關鍵支撐。

天津大學、太原理工大學與南開大學的該項聯(lián)合研究突破,不僅彰顯了我國在催化科學前沿的創(chuàng)新實力,更是面向國家重大戰(zhàn)略需求,為提升石化產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈的自主性、安全性與可持續(xù)性提供了重要的技術儲備。這標志著我國在綠色化工與高端制造領域的前沿探索中,邁出了扎實而關鍵的一步。

(關鍵字：丙烷)