科學家開發出銅單原子催化劑實現低溫丙烷脫氫反應

近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員張濤，研究員王愛琴、劉曉艷和副研究員楊冰等，與中國科學院上海高等研究院研究員高嶷團隊合作，在單原子光熱協同催化丙烷脫氫反應方面取得進展。

丙烷脫氫反應是制備丙烯的重要工業過程。該反應為強吸熱過程，傳統熱催化需要在500 °C至800 °C的高溫下進行，能耗高且易導致催化劑失活。盡管通過引入氧氣的氧化脫氫反應可以降低反應溫度，但存在丙烯過度氧化問題。因此，開發溫和條件下的丙烷脫氫反應具有重要意義。

該團隊基于Cu₁/TiO₂單原子催化劑，在近環境條件下通過光熱協同催化，在水氣中實現了丙烷脫氫反應。反應溫度在連續流動固定床反應器中降低至50 °C至80 °C，反應速率最高可達1201 μmol·g_cat^-1·h^-1。對比實驗結果顯示，Cu單原子、水氣和光熱協同均對反應有重要貢獻。同位素示蹤實驗、原位EPR、CO-DRIFTS和DFT計算結果表明，該反應在Cu₁/TiO₂單原子催化劑上，通過光解水產生氫氣和羥基，其中羥基可吸附在催化劑表面，從丙烷中提取氫原子生成丙烯和水；水參與反應但并不損耗，發揮催化劑的作用；Cu單原子在反應中促進光生電子和空穴的分離，并在丙烷的C-H鍵活化和丙烯脫附方面發揮作用。該反應機制與傳統丙烷直接脫氫和氧化脫氫不同，規避了高溫反應的局限性。團隊還發現，太陽光可以直接驅動Cu₁/TiO₂單原子催化劑上的丙烷脫氫反應。

上述研究為丙烷脫氫反應提供了新的反應路徑，并為利用太陽能推動溫和條件下的強吸熱反應提供了范例。

相關研究成果以Light-driven propane dehydrogenation by a single-atom catalyst under near-ambient conditions為題，發表在《自然-化學》（Nature Chemistry）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

科學家開發出銅單原子催化劑實現低溫丙烷脫氫反應