我所开发用于高效乙烷氧化脱氢的单原子主族金属催化剂

  近日,我所催化与新材料研究中心(1500组)张涛院士、王晓东研究员团队在乙烷氧化脱氢研究方面取得新进展,发现通过单原子化具有高选择性、同时具有惰性的主族金属氧化物,可以打破活性和选择性的“trade-off”限制,为开发高效的选择性氧化催化剂提供了新思路。

  在众多的氧化脱氢催化剂中,过渡金属氧化物(TMOs)因具有多种氧化态、较好的烷烃吸附和活化能力而受到广泛关注。但是,过渡金属存在未被占据的d轨道,与C=C的π电子有较强的相互作用,导致生成的烯烃难以脱附从而发生连续氧化。以往的研究工作主要集中在从强到弱调节TMOs催化活性,从而降低过度氧化,但烷烃的吸附和活化受到抑制,导致转化率下降,烯烃收率有限。

  相比之下,主族金属d轨道全充满,与低碳烷烃、烯烃相互作用较弱,导致主族金属氧化物对烯烃具有固有选择性,同时对烷烃具有活化惰性。本工作中,该团队提出原子分散主族金属氧化物,从弱到强调节其对乙烷的催化活性,即HY分子筛中超笼B酸锚定的原子分散[InOH]2+位点,可以显著降低乙烷解离的反应能垒以激活乙烷的活化。此外,In2O3纳米颗粒选择性氧化H2生成的H2O能够稳定孤立的[InOH]2+结构,从而实现高效的乙烷氧化脱氢。

  该团队近年来一直致力于低碳烷烃选择性氧化的研究,取得了系列进展(J. Catal.,2018;ACS Catal.,2018;J. Catal.,2019;ACS Catal.,2019;Energy Environ. Sci.,2019;Appl. Catal. B-Environ.,2020;ACS Catal.,2020;ACS Catal.,2020;ACS Catal.,2021;Nat. Commun.,2021;ACS Catal.,2022;Appl. Catal. B-Environ.,2022;Angew. Chem. In. Ed.,2022)。

  相关成果以"Main-group Catalysts with Atomically Dispersed In Sites for Highly Efficient Oxidative Dehydrogenation"为题,于近日发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society上,并被选为内封面文章。该工作的第一作者是我所1503组博士研究生王超杰和韩宇佳。相关研究得到国家自然科学基金、中科院B类先导专项“能源化学转化的本质与调控”、大连市杰出青年科技人才支持计划等项目的资助。(文/图 田鸣)

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c04926

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