丙烷脱氢制丙烯催化剂研究进展及发展前景

刘小文 刘旭 张誉文

摘要：本文主要介绍了Cr系、Pt系、氧化物、非金属氮化物催化剂在丙烷催化脱氢和氧化脱氢反应中的应用研究进展情况，同时对Cr系、Pt系、氧化物、非金属氮化物催化剂的发展前景和方向进行了展望。

关键词：丙烷脱氢;催化剂;Cr系;Pt系

丙烯作为当下石油化工领域缺一不可的原料，传统生产方法包括裂解以及作为炼油厂副产物得到。为了满足日益增长的需求，丙烷脱氢的工艺有两种，包括催化脱氢和氧化脱氢，下面将对每一种工艺的催化剂进行介绍。工艺所用催化剂主要有Cr系、Pt系、氧化物催化剂、非金属氮化物催化剂等。

1 Cr系催化剂

Cr系催化剂具有十分突出的活性，成本较低，常用于丙烷脱氢制丙烯过程中。一般工业上常选取Cr系催化剂的质量分数为13%-15%的负载量，因为超过这一范围的负载量将会导致Cr系催化剂的活性组份失活，大大降低了催化效率。对于Cr系催化剂的活性成分来说，具体可分为以下几种，单核Cr（Ⅲ）、双核Cr（Ⅲ）、三核Cr（Ⅲ）、多核Cr（Ⅲ）或Cr2O3簇等具有不同氧化性和不同配位数的Cr物种。Kang K等人验证了单核Cr（Ⅲ）是反应的活性位，同时转化速率与Cr含量无关，主要是基于CrOx/ZrO2催化体系用于丙烷脱氢的研究得到的。Delley M F等人验证了多核Cr（Ⅲ）对催化反应起着重要作用，其中“还原Cr3+”具有催化活性，“非还原Cr3+”具有催化惰性。

2 Pt系催化剂

工业化丙烷直接脱氢制丙烯的催化剂还有Pt系催化剂。其中比较出名的是美国UOP公司自主研发的Oleflex工艺，该工艺使用的是Pt系催化剂，主要基于高活性，低污染，低磨损率的优点。杨维慎等人验证了基于Pt-Sn/Al2O3中加入助剂Mg金属后发现Sn、MgO的加入不仅能够改善Pt-Sn/Al2O3催化剂的稳定性，而且有利于提高催化剂的活性。

上述的丙烷催化脱氢制丙烯的过程中，没有引入氧化剂，其实也可以在制丙烯过程中引入适量的催化剂，常见的氧化剂有O2、CO2、N2O等。

3 氧化物催化剂

O2、CO2是研究中最常用的用于丙烷脱氢制丙烯的氧化物催化剂。其中，O2催化活性非常高，这就使得反应可以向制取丙烯的方向进行，从而提高反应效率。另外，常用的氧化物催化剂还有CO2，这种催化剂无毒无害，反应温和，同时二氧化碳是一种温室气体，在一定程度上可以减少温室效应。张凌峰等人探究了CO2在较低温度下，依旧能提高反应活性，未来的发展前景一定是可以期待的。

4 非金属氮化物催化剂

非金属氮化物也可以用于催化剂，常见的非金属氮化物催化剂以N2O、氮化硼为主，这两种催化剂在高温下能分解生成氮气和氧气，支持燃烧。研究表明以N2O为氧化剂时，则不会产生过度氧化的问题，同时还能提高反应活性，并可以得到较高的C4烯烃收率。张艳惠等人验证了在N2O气氛下，即使在连续反应2000min后丙烯收率依然维持在20%以上，这与一开始的25%的丙烯收率相似。Nawaz Z等人验证了以N2O为氧化剂更有利于丙烷氧化脱氢反应的进行。N2O用作氧化剂用于丙烷氧化脱氢的研究目前还比较少，用于工业生产还有一定的限制。

上述介绍了目前Cr系、Pt系、氧化物催化剂、非金属氮化物催化剂四大类催化剂在丙烷催化脱氢和氧化脱氢反应中的应用研究进展情况，详细陈述了每种催化剂的优点和缺点，以及如何提高催化剂活性的方法，基于此，这四种催化剂将在丙烷脱氢制丙烯领域发挥重要的作用，也为一些新兴催化剂的开发提供借鉴。

参考文献：

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基金项目：本文系沈阳师范大学2019年大学生创新训练项目“丙烷脱氢制丙烯催化剂研究进展及发展前景”（编号：201910166384）。

（作者单位：沈阳师范大学）