中国科学院金属研究所乙苯氧化脱氢制苯乙烯机理研究获进展

近日，中国科学院金属研究所研究团队采用基于低碳烷烃催化脱氢反应第一性原理的微观反应动力学模拟方法，研究纳米碳催化乙苯氧化脱氢制苯乙烯的反应机理。结果表明，该反应主要通过单活性态参与反应(ER)的机理发生，而自由基反应在特定条件下也起到重要作用。该研究成果发表于《美国化学会催化》杂志。

通过烷烃催化脱氢反应可将低碳烷烃分子高效转化为同碳烯烃。但烷烃催化脱氢(直接和氧化)反应面临选择性低、积炭以及高能耗等问题，设计和开发新型高效催化剂是解决问题的关键。在分子水平上揭示催化剂性质和反应机理是筛选高效催化剂的前提条件。

该研究团队自2014年以来一直从事低碳烷烃催化脱氢反应的第一性原理计算模拟研究工作。基于计算结果，研究揭示碳基催化剂sp2/sp3核壳结构在脱氢反应中的独特催化性能，提出了工业铂基催化剂积炭过程的描述以及控制积炭的方法。

该研究结合第一性原理计算与微观动力学模拟，研究纳米碳催化剂上乙苯氧化脱氢反应在不同反应条件下的反应机理及其变化，考虑活性位点再生的3种可能的机理，即脱氢反应、催化剂活化反应和自由基反应。

该研究团队还发现弱吸附物种与自由基之间的反应过程。从第一性原理计算中获得基元反应的反应能和势垒，并将其作为微观动力学模拟的输入。第一性原理计算和微观动力学分析表明，酮羰基和弱吸附的HO2·自由基均具有催化烷烃脱氢的活性。ER机理比双活性态参与反应(LH)的机理和Mars-van-Krevelen(MvK)机理更有可能发生。

此外，在特定条件下反应也可通过弱吸附HO2·发生。在接近化学计量比时，乙苯和氧气反应级数分别为一级和零级。反应速率与乙苯分压呈线性关系，而不随氧气分压变化。催化剂中的缺陷位点通常被认为是高活性位点，计算结果也证实其高活性，但初始催化剂中缺陷位点密度不影响催化剂本征活性及稳态的反应状态。

该研究结果加深了对纳米碳上烷烃氧化脱氢机理的理解，并指认了非金属催化剂的独特性质，有望为新型非金属碳基催化剂的理性设计及反应条件的优化提供指导。