近日，江南大學(xué)化工學(xué)院劉小浩教授團(tuán)隊(duì)在開發(fā)非貴金屬催化乙烷無氧脫氫高效制乙烯的研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Manipulating the Cobalt Species States to Break the Conversion-Selectivity Trade-Off Relationship for Stable Ethane Dehydrogenation over Ligand-Free-Synthesized Co@MFI Catalysts”為題發(fā)表于催化領(lǐng)域頂級(jí)期刊《ACS Catalysis》上。該論文江南大學(xué)化工學(xué)院胥月兵副教授和碩士研究生胡文金為共同第一作者，中國(guó)石化催化劑有限公司劉志堅(jiān)教授和江南大學(xué)劉小浩教授為共同通訊作者。

低碳烷烴（C1-C4）來源廣泛如天然氣、頁巖氣、油田伴生氣和煉廠干氣等，其資源豐富、價(jià)格低廉，如何將這些儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)的低碳資源高效轉(zhuǎn)化為高附加值化工平臺(tái)分子如烯烴、芳烴及其下游產(chǎn)物具有重要意義。低碳烷烴無氧脫氫制烯烴因其能原子經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化生成高價(jià)值烯烴，同時(shí)獲得寶貴的“綠氫”產(chǎn)品而引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。近年來，開發(fā)廉價(jià)的、環(huán)境友好的低碳烷烴無氧脫氫催化體系替代傳統(tǒng)的貴金屬（Pt系）和環(huán)境有害（Cr系）的催化體系日益成為該研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)，其核心目標(biāo)是開發(fā)的催化劑和工藝過程技術(shù)能夠可控活化烷烴分子中的C-H鍵，并能有效抑制C-C鍵斷裂，從而連續(xù)穩(wěn)定地將低碳烷烴轉(zhuǎn)化為烯烴和氫氣產(chǎn)品。近幾年來，劉小浩團(tuán)隊(duì)持續(xù)地對(duì)非貴金屬（Co系）催化體系在低碳烷烴無氧催化轉(zhuǎn)化制烯烴（或芳烴）聯(lián)產(chǎn)氫氣的反應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，為該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(相關(guān)資料圖)

Co系金屬（Fe，Co和Ni）通常表現(xiàn)出對(duì)烷烴深度脫氫和碳-碳（C-C）鍵“剪切”產(chǎn)生不期望的甲烷和積炭產(chǎn)物。劉小浩團(tuán)隊(duì)基于長(zhǎng)期對(duì)費(fèi)托合成反應(yīng)催化劑的金屬物相位點(diǎn)結(jié)構(gòu)-反應(yīng)性能關(guān)系研究，以及C-H鍵活化機(jī)制的深刻理解和認(rèn)識(shí)，采用離子交換法在HZSM-5分子篩孔道中構(gòu)建孤立的、不可還原的錨定于B酸位點(diǎn)上的Co2+物種，首次報(bào)道了Co/HZSM-5新催化體系成功應(yīng)用于甲烷無氧芳構(gòu)化反應(yīng)（Journal of Catalysis, 2020, 387, 102-118），能夠可控地活化甲烷分子并耦合剩余B酸位點(diǎn)高選擇性地生成芳烴產(chǎn)物。隨后，運(yùn)用此方法又成功制備了Ni/HZSM-5（Chemical Communications, 2020, 56, 4396-4399）和Fe/HZSM-5（Journal of Catalysis, 2021, 396, 224-241）系列催化劑應(yīng)用于甲烷轉(zhuǎn)化，豐富并加深了對(duì)C-H鍵活化位點(diǎn)和不同金屬對(duì)C-H鍵活化能力的新認(rèn)識(shí)。特別地，在研究Ni系催化劑應(yīng)用于該反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ni團(tuán)簇將甲烷分子完全分解為積碳和氫氣，而錨定于B酸位點(diǎn)上的Ni2+物種催化甲烷近70%選擇性生成芳烴產(chǎn)物。緊接著，團(tuán)隊(duì)將Co2+離子交換制備的Co/HZSM-5催化劑在更低的溫度（600°C）下用乙烷代替甲烷進(jìn)行了無氧脫氫芳構(gòu)化反應(yīng)研究（Catalysis Science & Technology, 2022, 12, 3716-3726），實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的乙烷催化轉(zhuǎn)化制芳烴聯(lián)產(chǎn)烯烴，選擇性達(dá)到80%左右，且芳烴和烯烴產(chǎn)物的比例可通過分子篩的酸性有效調(diào)控。

更進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)在孔道尺寸更小的SAPO-34分子篩孔道中構(gòu)建出-Al-O-Co(II)-O-Al-活性中心，結(jié)合實(shí)驗(yàn)、表征和理論計(jì)算多角度揭示其能夠可控活化C-H鍵和有效抑制烷烴中C-C鍵斷裂，實(shí)現(xiàn)乙烷無氧脫氫高選擇性（>98%）生成乙烯，而落位在孔道外的非限域Co納米團(tuán)簇不能可控催化乙烷無氧脫氫制乙烯，由于其催化C-H鍵活化和C-C鍵斷裂相對(duì)能量無明顯差異（ACS Catalysis, 2021, 11, 13001-13019）。上述系列研究對(duì)深刻認(rèn)識(shí)Co物種落位和狀態(tài)在選擇性活化C-H鍵并抑制C-C鍵斷裂方面做出了重要貢獻(xiàn)。然而，由于離子交換法制備的催化劑中有效活性中心的數(shù)量嚴(yán)格取決于可交換的B酸位點(diǎn)數(shù)量，從而限制了活性位點(diǎn)數(shù)量依賴的烷烴單程轉(zhuǎn)化率的提高。因此，該團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)開發(fā)簡(jiǎn)單、廉價(jià)和環(huán)境友好的新合成方法，期望突破Co(II)物種載量高度可調(diào)，并保持原子級(jí)分散限域在分子篩孔道中，從而解決烷烴無氧脫氫制烯烴（或芳烴）工業(yè)應(yīng)用中最關(guān)鍵的單程轉(zhuǎn)化率和催化穩(wěn)定性問題。

圖1.催化劑結(jié)構(gòu)表征

近期，劉小浩團(tuán)隊(duì)采用一鍋法，在無鋁環(huán)境（即不依賴B酸位點(diǎn)），無需添加配位試劑的條件下一步成功合成了載量高度可調(diào)（1～10 wt% Co）的原子級(jí)分散Co@MFI催化劑，實(shí)現(xiàn)了乙烷在苛刻反應(yīng)條件下（高乙烷濃度，高反應(yīng)空速）以平衡轉(zhuǎn)化率、近100%選擇性無氧脫氫制乙烯，并表現(xiàn)出優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。同時(shí)，該催化劑也適用丙烷無氧脫氫高效制丙烯，獲得近100%丙烯選擇性，催化劑穩(wěn)定運(yùn)行150 h無任何失活。

圖2. Co@MFI催化乙烷（丙烷）無氧脫氫制乙烯（丙烯）反應(yīng)性能結(jié)果

一直以來，將金屬離子封裝在分子篩孔道或骨架中，需要借助配位試劑（如EDTA、EDA或NH3）以防止金屬離子在合成條件下優(yōu)先沉淀而形成金屬團(tuán)簇。在目前報(bào)道的低碳烷烴脫氫金屬/分子篩催化體系中，幾乎無一例外均使用了各種配位試劑，且金屬載量仍然只能維持在較低水平（～1.0 wt%），當(dāng)金屬載量較高時(shí)，配位試劑可能會(huì)對(duì)催化劑合成起到負(fù)面作用。因此，如何將金屬活性中心根據(jù)反應(yīng)需要成功封裝于分子篩中仍然是一種挑戰(zhàn)。該研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Co2+金屬離子可以不依賴任何額外配體合成Co載量高度可調(diào)原子級(jí)分散的催化劑。

通過深入分析認(rèn)為可能是由于模板劑（TPAOH）提供了合適的堿性環(huán)境，部分OH-參與Co2+的配位形成了[Co(H2O)6-x(OH)x]2-x物種，而沒有產(chǎn)生Co(OH)2沉淀。通過本項(xiàng)研究工作，進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)了-Coδ+-Oδ--物種的化學(xué)和電子狀態(tài)對(duì)低碳烷烴無氧脫氫反應(yīng)活性和烯烴選擇性的影響規(guī)律：當(dāng)Co物種處于低價(jià)接近零價(jià)金屬態(tài)時(shí)，將同時(shí)促進(jìn)C-H和C-C鍵的斷裂；當(dāng)Co物種維持較高價(jià)態(tài)時(shí)，對(duì)C-H和C-C鍵的活化和斷鍵均表現(xiàn)為相對(duì)惰性；只有當(dāng)Co物種處于適宜的價(jià)態(tài)（δ+）時(shí)，才可高活性和選擇性地活化C-H鍵并抑制C-C鍵的斷裂。

圖3. Co@MFI催化劑催化乙烷無氧脫氫制乙烯反應(yīng)機(jī)理示意圖

該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（21878127）、江南大學(xué)-中國(guó)石化催化劑有限公司協(xié)同創(chuàng)新合作項(xiàng)目（36100000-22-ZC0607-0035, 36100000-22-ZC0607-0037）等項(xiàng)目的支持。

來源：江南大學(xué)

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c05860

關(guān)鍵詞： 江南大學(xué) 非貴金屬 活性中心