美國西北大學開發出丙烷氧化脫氫制丙烯的串聯催化劑

美國西北大學的研究人員通過在納米粒子上結合鉑和氧化銦的催化能力，改進了催化劑催化丙烷制丙烯的反應效率。參與此工作的 Notestein 稱，概念驗證工作表明，這種納米級顆粒上In2O3-Pt按殼-芯結構組成的催化劑(Tandem catalyst，簡稱串聯催化劑)，在單一納米顆粒上可同時進行不同的反應，具有在工業過程中發揮更大作用的潛力。

由于丙烯在化學工業中的重要性，該團隊的目標是生產丙烯。2020年全球丙烯產量達到110 Mt，蒸汽裂解原料的改變減少了丙烯的供應，而已開發的丙烷脫氫(PDH)工藝能耗高且價格昂貴。PDH裝置在600 ℃或更高的溫度下將丙烷轉化為丙烯，此條件下會產生積炭，從而使催化劑迅速失活。

為了解決這些問題，研究人員花費了數十年的時間開發丙烷氧化脫氫(ODHP)工藝，該工藝中從丙烷中釋放出來的氫與氧氣結合生成水，由此可以推動反應平衡向正反應方向移動，需要的溫度較低，催化劑積炭下降。為ODHP工藝開發了硼基催化劑的威斯康星大學麥迪遜分校的 Hermans 稱：“如果大規模采用這項技術，就可以節省巨大的能源和成本。”但是，ODHP催化劑存在將丙烯轉化為CO和CO2的副反應，因此仍無法在丙烯產量上擊敗PDH工藝。這就有了新的串聯催化劑，它包含兩種活性金屬，分別針對不同階段的反應，以增加丙烯的產量并減少形成不需要的副產物。

為了制造催化劑，美國西北大學研究團隊將2 nm寬的鉑塊分布在100 nm的氧化鋁顆粒上，然后，使用原子層沉積工藝，在每個顆粒外覆蓋2 nm厚的氧化銦殼。加熱這些顆粒會在外殼中打開1.4 nm的孔，從而暴露出表面下大約一半的鉑原子。

在450 ℃的ODHP反應中，鉑從丙烷中脫除氫形成丙烯，然后氫原子與氧在氧化銦上結合成水。該過程轉化了約40%的丙烷，形成了約75%的丙烯和25%的CO2的混合產物，幾乎沒有積炭。Notestein 稱，對于任何ODHP催化劑，該系統都能在轉化率和選擇性之間實現最佳平衡。

氧化銦殼可使鉑納米顆粒穩定，從而提高催化劑的壽命。據Notestein介紹，由于ODHP反應是在恒溫的單個反應器中進行的，因此與典型的PDH系統相比，ODHP的反應器設計簡單得多，串聯催化劑也能夠提供生產乙烯的低能耗路線。但是，這項研究還處于小型試驗階段，距離放大工業應用還有很長的路要走，而原子層沉積制造催化劑是一種費力的方法。放大工藝的主要挑戰是催化劑生產，Notestein希望可以開發出更簡單的合成方法來創建相似的納米結構。