近日,從天津大學(xué)化工學(xué)院獲悉,近日,國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》以封面文章形式,發(fā)表了中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在丙烷脫氫催化劑研究中的重要突破。

天津大學(xué)化工學(xué)院劉國(guó)柱教授團(tuán)隊(duì)與太原理工大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)銥單原子在丙烷脫氫反應(yīng)中的超長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該研究通過(guò)“剛?cè)岵��?jì)”的設(shè)計(jì)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(guó)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(xué)基礎(chǔ)。

丙烯是現(xiàn)代化工的關(guān)鍵基礎(chǔ)原料,被譽(yù)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(nèi)飾,到醫(yī)療器械、電子元件等高端領(lǐng)域,都離不開(kāi)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(bào)告顯示,2023年全球丙烯市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)約1213.4億美元,并保持穩(wěn)步增長(zhǎng),其中亞太地區(qū)是最大消費(fèi)市場(chǎng),占全球總消費(fèi)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(yīng)受煉油產(chǎn)業(yè)和乙烯生產(chǎn)調(diào)控的較大影響。

為提升丙烯供應(yīng)的自主可控能力,我國(guó)近年來(lái)積極推動(dòng)以丙烷為原料的丙烷脫氫工藝發(fā)展。該技術(shù)可將價(jià)格相對(duì)較低的丙烷直接轉(zhuǎn)化為高附加值的丙烯,有助于降低對(duì)進(jìn)口原油的依賴,增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈安全性。當(dāng)前,全球通過(guò)丙烷脫氫工藝生產(chǎn)的丙烯市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)數(shù)百億美元,已成為增長(zhǎng)最為迅速的丙烯生產(chǎn)路線之一。

在丙烷脫氫裝置這個(gè)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(dá)550-650℃的反應(yīng)“熔爐”中,面臨活性中心“積碳覆蓋”與“燒結(jié)團(tuán)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(yùn)行多久,是影響整個(gè)裝置生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵命脈。

當(dāng)前,全球?qū)W者從提升金屬效率、開(kāi)發(fā)替代金屬、探索全新反應(yīng)路徑、以及強(qiáng)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(jié)團(tuán)聚”,即在高溫反應(yīng)條件下極易遷移團(tuán)聚而失活,只有保持其長(zhǎng)期穩(wěn)定性,才能發(fā)揮單原子催化劑的最大效用。

面對(duì)這一挑戰(zhàn),天津大學(xué)化工學(xué)院劉國(guó)柱教授團(tuán)隊(duì)采用“剛?cè)岵��?jì)”的策略,實(shí)現(xiàn)了銥單原子在丙烷脫氫反應(yīng)中超過(guò)800小時(shí)的超長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)的化學(xué)鍵,將銥原子牢牢“鎖”在特定位置,使其在高溫下也難以移動(dòng)團(tuán)聚,實(shí)現(xiàn)了“剛”性錨定。

研究發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)過(guò)程中,通入的丙烷分子會(huì)與催化劑發(fā)生動(dòng)態(tài)相互作用,“誘導(dǎo)”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(jié)構(gòu),恰恰是高效切斷丙烷分子中C-H鍵的關(guān)鍵,也即“柔”性活化。

“這種‘剛性骨架固定,柔性電子調(diào)變’的設(shè)計(jì),使得催化劑在嚴(yán)苛環(huán)境中既能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,又能展現(xiàn)超高活性。”對(duì)于催化劑的設(shè)計(jì)巧思,論文共同一作、天津大學(xué)化工學(xué)院博士生宋明霞這樣解釋。

對(duì)于該項(xiàng)成果的工業(yè)化應(yīng)用潛力,論文通訊作者、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉國(guó)柱教授表示,“該催化劑適配性強(qiáng),其‘超長(zhǎng)單程運(yùn)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(yùn)行效率。依托該催化劑卓越的催化性能,有望推動(dòng)新一代高效率、低能耗丙烷脫氫裝置的研發(fā)與設(shè)計(jì)。”

當(dāng)前,我國(guó)已成為全球最大的丙烯生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),丙烷脫氫產(chǎn)能持續(xù)增長(zhǎng)。在產(chǎn)業(yè)規(guī)�？焖贁U(kuò)張的同時(shí),核心催化技術(shù)的自主可控仍是關(guān)鍵支撐。

天津大學(xué)、太原理工大學(xué)與南開(kāi)大學(xué)的該項(xiàng)聯(lián)合研究突破,不僅彰顯了我國(guó)在催化科學(xué)前沿的創(chuàng)新實(shí)力,更是面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求,為提升石化產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的自主性、安全性與可持續(xù)性提供了重要的技術(shù)儲(chǔ)備。這標(biāo)志著我國(guó)在綠色化工與高端制造領(lǐng)域的前沿探索中,邁出了扎實(shí)而關(guān)鍵的一步。

(關(guān)鍵字：丙烷)