美國西北大學(xué)開發(fā)出丙烷氧化脫氫制丙烯的串聯(lián)催化劑

美國西北大學(xué)的研究人員通過在納米粒子上結(jié)合鉑和氧化銦的催化能力，改進了催化劑催化丙烷制丙烯的反應(yīng)效率。參與此工作的 Notestein 稱，概念驗證工作表明，這種納米級顆粒上In2O3-Pt按殼-芯結(jié)構(gòu)組成的催化劑(Tandem catalyst，簡稱串聯(lián)催化劑)，在單一納米顆粒上可同時進行不同的反應(yīng)，具有在工業(yè)過程中發(fā)揮更大作用的潛力。

由于丙烯在化學(xué)工業(yè)中的重要性，該團隊的目標是生產(chǎn)丙烯。2020年全球丙烯產(chǎn)量達到110 Mt，蒸汽裂解原料的改變減少了丙烯的供應(yīng)，而已開發(fā)的丙烷脫氫(PDH)工藝能耗高且價格昂貴。PDH裝置在600 ℃或更高的溫度下將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯，此條件下會產(chǎn)生積炭，從而使催化劑迅速失活。

為了解決這些問題，研究人員花費了數(shù)十年的時間開發(fā)丙烷氧化脫氫(ODHP)工藝，該工藝中從丙烷中釋放出來的氫與氧氣結(jié)合生成水，由此可以推動反應(yīng)平衡向正反應(yīng)方向移動，需要的溫度較低，催化劑積炭下降。為ODHP工藝開發(fā)了硼基催化劑的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的 Hermans 稱：“如果大規(guī)模采用這項技術(shù)，就可以節(jié)省巨大的能源和成本?！钡?，ODHP催化劑存在將丙烯轉(zhuǎn)化為CO和CO2的副反應(yīng)，因此仍無法在丙烯產(chǎn)量上擊敗PDH工藝。這就有了新的串聯(lián)催化劑，它包含兩種活性金屬，分別針對不同階段的反應(yīng)，以增加丙烯的產(chǎn)量并減少形成不需要的副產(chǎn)物。

為了制造催化劑，美國西北大學(xué)研究團隊將2 nm寬的鉑塊分布在100 nm的氧化鋁顆粒上，然后，使用原子層沉積工藝，在每個顆粒外覆蓋2 nm厚的氧化銦殼。加熱這些顆粒會在外殼中打開1.4 nm的孔，從而暴露出表面下大約一半的鉑原子。

在450 ℃的ODHP反應(yīng)中，鉑從丙烷中脫除氫形成丙烯，然后氫原子與氧在氧化銦上結(jié)合成水。該過程轉(zhuǎn)化了約40%的丙烷，形成了約75%的丙烯和25%的CO2的混合產(chǎn)物，幾乎沒有積炭。Notestein 稱，對于任何ODHP催化劑，該系統(tǒng)都能在轉(zhuǎn)化率和選擇性之間實現(xiàn)最佳平衡。

氧化銦殼可使鉑納米顆粒穩(wěn)定，從而提高催化劑的壽命。據(jù)Notestein介紹，由于ODHP反應(yīng)是在恒溫的單個反應(yīng)器中進行的，因此與典型的PDH系統(tǒng)相比，ODHP的反應(yīng)器設(shè)計簡單得多，串聯(lián)催化劑也能夠提供生產(chǎn)乙烯的低能耗路線。但是，這項研究還處于小型試驗階段，距離放大工業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走，而原子層沉積制造催化劑是一種費力的方法。放大工藝的主要挑戰(zhàn)是催化劑生產(chǎn)，Notestein希望可以開發(fā)出更簡單的合成方法來創(chuàng)建相似的納米結(jié)構(gòu)。