【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究中心(1500組群)張濤院士、王愛琴研究員、劉曉艷研究員、楊冰副研究員等，與中國科學院上海高等研究院高嶷研究員團隊合作，在單原子光熱協同催化丙烷脫氫反應方面取得新進展。
丙烷脫氫反應(PDH)是制備丙烯的重要工業過程，由于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(ODHP)可以降低反應溫度，但同時存在丙烯過度氧化的問題。因此，開發溫和條件下的丙烷脫氫反應具有重要意義。
1500組群長期致力于多相催化、環境催化和生物質轉化研究，在單原子催化領域取得了系列成果。近年來，團隊在光熱協同催化丙烷氧化(Angew. Chem. Int. Ed.，2020)和甘油轉化(Angew. Chem. Int. Ed.，2024)等領域也取得系列進展。本工作中，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·gcat-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不可替代的貢獻。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，發揮了催化劑的作用；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了關鍵作用。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。此外，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。該工作為丙烷脫氫反應提供了新的反應路徑，也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。該工作的共同第一作者為我所1502組康磊磊副研究員和中國科學院上海高等研究院朱倍恩研究員。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家自然科學基金委“單原子催化”基礎科學中心項目、中國科學院B類先導專項“基于超極化NMR的酶催化原位動態分子轉化機制研究”等項目的資助。
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