近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化與新材料研究中心(1500組群)張濤院士、王愛琴研究員、劉曉艷研究員、楊冰副研究員等，與中國科學(xué)院上海高等研究院高嶷研究員團(tuán)隊(duì)合作，在單原子光熱協(xié)同催化丙烷脫氫反應(yīng)方面取得新進(jìn)展。
 

　　丙烷脫氫反應(yīng)(PDH)是制備丙烯的重要工業(yè)過程，由于該反應(yīng)為強(qiáng)吸熱過程，傳統(tǒng)熱催化需要在500 °C至800 °C的高溫下進(jìn)行，能耗高且易導(dǎo)致催化劑失活。盡管通過引入氧氣的氧化脫氫反應(yīng)(ODHP)可以降低反應(yīng)溫度，但同時(shí)存在丙烯過度氧化的問題。因此，開發(fā)溫和條件下的丙烷脫氫反應(yīng)具有重要意義。
 

　　1500組群長期致力于多相催化、環(huán)境催化和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究，在單原子催化領(lǐng)域取得了系列成果。近年來，團(tuán)隊(duì)在光熱協(xié)同催化丙烷氧化(Angew. Chem. Int. Ed.，2020)和甘油轉(zhuǎn)化(Angew. Chem. Int. Ed.，2024)等領(lǐng)域也取得系列進(jìn)展。本工作中，團(tuán)隊(duì)基于Cu1/TiO2單原子催化劑，在近環(huán)境條件下通過光熱協(xié)同催化，在水氣中實(shí)現(xiàn)了丙烷脫氫反應(yīng)，反應(yīng)溫度在連續(xù)流動(dòng)固定床反應(yīng)器中降低至50 °C至80 °C，反應(yīng)速率最高可達(dá)1201 μmol·gcat-1·h-1。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Cu單原子、水氣和光熱協(xié)同均對反應(yīng)有不可替代的貢獻(xiàn)。同位素示蹤實(shí)驗(yàn)、原位EPR、CO-DRIFTS和DFT計(jì)算結(jié)果表明，該反應(yīng)在Cu1/TiO2單原子催化劑上，通過光解水產(chǎn)生氫氣和羥基，其中羥基可吸附在催化劑表面，從丙烷中提取氫原子生成丙烯和水；水參與反應(yīng)但并不損耗，發(fā)揮了催化劑的作用；Cu單原子在反應(yīng)中促進(jìn)光生電子和空穴的分離，并在丙烷的C-H鍵活化和丙烯脫附方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該反應(yīng)機(jī)制與傳統(tǒng)丙烷直接脫氫和氧化脫氫不同，規(guī)避了高溫反應(yīng)的局限性。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)太陽光可以直接驅(qū)動(dòng)Cu1/TiO2單原子催化劑上的丙烷脫氫反應(yīng)。該工作為丙烷脫氫反應(yīng)提供了新的反應(yīng)路徑，也為利用太陽能推動(dòng)溫和條件下的強(qiáng)吸熱反應(yīng)提供了范例。
 

　　相關(guān)研究成果以“Light-driven propane dehydrogenation by a single-atom catalyst under near-ambient conditions”為題，發(fā)表在《自然-化學(xué)》(Nature Chemistry)上。該工作的共同第一作者為我所1502組康磊磊副研究員和中國科學(xué)院上海高等研究院朱倍恩研究員。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金委“單原子催化”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于超極化NMR的酶催化原位動(dòng)態(tài)分子轉(zhuǎn)化機(jī)制研究”等項(xiàng)目的資助。