金沙2004:物质学院谢琎课题组在六方氮化硼稳定催化丙烷氧化脱氢制烯烃方面取得重要进展

发布时间2023-03-16文章来源 物质科学与技术学院作者责任编辑刘玥

近期,金沙2004物质科学与技术学院谢琎课题组在研究六方氮化硼(h-BN)催化丙烷氧化脱氢(ODHP)反应的失活机制与稳定性提升策略方面取得重要进展,揭示了水蒸气等小分子气体对h-BN的剥离是造成其催化活性快速下降的重要原因,并借助原子层沉积(ALD)工艺,增强了h-BN二维结构的层间作用力,大幅提升了催化剂的结构稳定性和使用寿命。研究成果发表在国际学术期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society上。

丙烯是一种重要的化工基础原料,用于生产聚丙烯、异丙苯、环氧丙烷等诸多产品,催化丙烷氧化脱氢制丙烯(ODHP普遍被认为是一种潜在快速提升丙烯产能的生产工艺。在众多丙烷氧化脱氢催化剂中, h-BN综合性能最为优良,极具工业推广潜力。但最新研究发现,h-BN在高温富水环境下催化ODHP时容易与产物水蒸气作用发生分解,造成活性组分硼元素的快速流失,导致催化性能快速衰减。因此明晰h-BN在催化环境下的分解机制并制定相应的解决策略是该领域目前的一个研究难点。


1. h-BN高温富水环境下催化ODHP时丙烷转化率,烯烃选择性和烯烃产率的变化(a,b),h-BN在经历12小时稳定性测试前后的结构变化(c-测试前,d-测试后),反应管尾管处沉积物的红外光谱(e)和XPS B 1s谱图分析(f


h-BN是一种石墨等电子体,具有出色的高温稳定性(空气840)。h-BN催化ODHP反应时运行温度往往集中在480~550,研究发现,ODHP反应时释放热量集中在h-BN缺陷处,在外部高温的加持下h-BN的层间距会发生明显扩张,导致反应生成的大量水蒸气由h-BN边沿位置在层间进行扩散,造成剥离和碎片化。在较高的空速(即单位时间单位体积催化剂处理的气体量)下,大量轻质h-BN碎片会被反应气流带走,引发活性组分硼元素的快速流失。这发现更全面地解释了h-BN高温富水环境下催化ODHP时的失活机制。

在上述发现的基础上,科研人员借助ALD工艺在h-BN边沿位置沉积了一层无定形氧化铟(In2O3。ODHP反应环境下对h-BNIn2O3组成的复合催化剂进行热处理,In2O3团聚成纳米颗粒,并同时h-BN氧化生成的无定形BOx包覆,进而增强了两种组分间的相互作用力,这种基于h-BNIn2O3之间的强相互作用被命名为金属氧化物-载体强相互作用(strong metal oxide-support interaction,SMOSI)。SMOSI效应使In2O3纳米颗粒像图钉一样加固了h-BN的二维层间结构,抑制了水蒸气对h-BN的剥离和氧化切割,大幅提升了h-BN的结构稳定性和催化寿命。研究不仅为开发高性能h-BNODHP催化剂开辟了新途径,还为提升二维材料在苛刻应用环境下的结构稳定性提供了新策略。


2. 不同圈数h-BN?In2O3复合催化剂的稳定性对比,a-丙烷转化率和烯烃选择性,b-烯烃收率对比,c-高温富水环境h-BN催化ODHP时的剥离分解机制和h-BN?In2O3复合催化剂的稳定机制


金沙2004物质学院博士后曹磊本研究的第一作者,助理教授谢琎通讯作者,金沙2004为第一完成单位。

论文标题:

Antiexfoliating h?BN?In2O3 Catalyst for Oxidative Dehydrogenation of Propane in a High-Temperature and Water-Rich Environment

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12136