美国西北大学开发出丙烷氧化脱氢制丙烯的串联催化剂

美国西北大学的研究人员通过在纳米粒子上结合铂和氧化铟的催化能力，改进了催化剂催化丙烷制丙烯的反应效率。参与此工作的 Notestein 称，概念验证工作表明，这种纳米级颗粒上In2O3-Pt按壳-芯结构组成的催化剂(Tandem catalyst，简称串联催化剂)，在单一纳米颗粒上可同时进行不同的反应，具有在工业过程中发挥更大作用的潜力。

由于丙烯在化学工业中的重要性，该团队的目标是生产丙烯。2020年全球丙烯产量达到110 Mt，蒸汽裂解原料的改变减少了丙烯的供应，而已开发的丙烷脱氢(PDH)工艺能耗高且价格昂贵。PDH装置在600 ℃或更高的温度下将丙烷转化为丙烯，此条件下会产生积炭，从而使催化剂迅速失活。

为了解决这些问题，研究人员花费了数十年的时间开发丙烷氧化脱氢(ODHP)工艺，该工艺中从丙烷中释放出来的氢与氧气结合生成水，由此可以推动反应平衡向正反应方向移动，需要的温度较低，催化剂积炭下降。为ODHP工艺开发了硼基催化剂的威斯康星大学麦迪逊分校的 Hermans 称：“如果大规模采用这项技术，就可以节省巨大的能源和成本。”但是，ODHP催化剂存在将丙烯转化为CO和CO2的副反应，因此仍无法在丙烯产量上击败PDH工艺。这就有了新的串联催化剂，它包含两种活性金属，分别针对不同阶段的反应，以增加丙烯的产量并减少形成不需要的副产物。

为了制造催化剂，美国西北大学研究团队将2 nm宽的铂块分布在100 nm的氧化铝颗粒上，然后，使用原子层沉积工艺，在每个颗粒外覆盖2 nm厚的氧化铟壳。加热这些颗粒会在外壳中打开1.4 nm的孔，从而暴露出表面下大约一半的铂原子。

在450 ℃的ODHP反应中，铂从丙烷中脱除氢形成丙烯，然后氢原子与氧在氧化铟上结合成水。该过程转化了约40%的丙烷，形成了约75%的丙烯和25%的CO2的混合产物，几乎没有积炭。Notestein 称，对于任何ODHP催化剂，该系统都能在转化率和选择性之间实现最佳平衡。

氧化铟壳可使铂纳米颗粒稳定，从而提高催化剂的寿命。据Notestein介绍，由于ODHP反应是在恒温的单个反应器中进行的，因此与典型的PDH系统相比，ODHP的反应器设计简单得多，串联催化剂也能够提供生产乙烯的低能耗路线。但是，这项研究还处于小型试验阶段，距离放大工业应用还有很长的路要走，而原子层沉积制造催化剂是一种费力的方法。放大工艺的主要挑战是催化剂生产，Notestein希望可以开发出更简单的合成方法来创建相似的纳米结构。