科學家開發出一種超穩定丙烷脫氫選擇性催化劑

作者:万博体育网址多少   |   时间:2020-06-10 07:27   |   浏览:167   


丙烯是塑料、合成橡膠、表面活性劑、染料和醫藥的重要原料。近年來,對用更便宜的頁巖制丙烷生產丙烯的需求不斷增加。要獲得足夠的丙烯產率,需要600℃以上的反應溫度,但在這些苛刻的條件下,万博体育网址多少由于碳沉積和/或燒結,嚴重的催化劑失活是不可避免的。因此,在實際應用中,催化劑必須連續再生或短周期再生,這使得該工藝效率低、成本高。

在本研究中,研究小組,包括北海道大學催化研究所的碩士生YukiNakaya和副教授ShinyaFurukawa,重點研究了具有獨特性質和結構的鉑(Pt)和鎵(Ga)的金屬間化合物(PtGa)。PtGa具有較高的熱穩定性,即使在高溫下其結構也不會發生變化。它的表面有兩種催化位點:一種是含有三個Pt原子的位點(Pt3位點),另一種是含有單原子樣的孤立Pt(Pt1位點)。

研究小組假設,如果除了生產丙烯之外,還有助于碳沉積的Pt3位點被禁用,只允許Pt1位點發揮作用,那么催化劑將是超穩定的,并且也能夠防止碳沉積。該小組嘗試了各種金屬和催化劑的合成方法,只使Pt1位的功能。

在新開發的催化劑(PtGa-Pb/SiO2)表面上,Pt1位點保持暴露以促進催化反應,而用Pb封閉了以三角形顯示的Pt3位點(和Ga3位點)。(YukiNakaya等人,《自然通訊》,2020年6月5日)

新開發的PtGa-Pb/SiO2催化劑是以二氧化硅為載體,通過在PtGa表面添加鉛(Pb)制備而成,在600℃下丙烷脫氫時,催化劑沒有失活,反應開始后96小時保持30%的初始轉化率,比傳統催化劑穩定得多催化劑。丙烯選擇性高達99.6%,副反應少,包括積碳。結果表明,該催化劑在580℃或更高的溫度下具有世界上最好的性能。特別是,它的使用壽命是此前報道的此類催化劑使用壽命的兩倍多。此外,該催化劑的生產成本與傳統催化劑一樣低。他們的結構分析證實了Pt3位點,而不是Pt1位點,如他們所預期的那樣,被鉛覆蓋和破壞。

Furukawa說:我們的發現可能會導致一種更高效、更廉價的工業流程,無需催化劑再生就可以從丙烷中生產丙烯,這在選擇性和穩定性方面遠遠優于傳統工藝。此外,該方法還可用于乙烷、異丁烷等低碳烷烴的脫氫反應,有助于石化工業的發展。



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