Forskning viser anatase-understøttede Ni-enkeltatom-katalysatorer til propandehydrogenering

Propylen er et af de vigtigste petrokemiske råmaterialer, der rækker næst efter ethylen. For at imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel er der et presserende behov for alternative teknologier til propylenproduktion, blandt hvilke propandehydrogenering (PDH) er blevet betragtet som den mest lovende.

Som en billig og miljøvenlig kandidat har Ni-baserede katalysatorer tiltrukket bred interesse blandt forskere i forskellige katalytiske applikationer, såsom hydrogenering, reformering af methan, elektrokemisk og fotokatalytisk osv. Der har dog været meget lidt undersøgelse af Ni i alkandehydrogenering under høje temperaturer, sandsynligvis fordi Ni-arter let reduceres til metal Ni-nanopartikler (NP'er) under den hårde reaktion, hvilket kan resultere i dyb dehydrogenering og dårlig selektivitet.

Som en ny grænse inden for katalyse er enkeltatomkatalysatorer (SAC) blevet brugt i vid udstrækning i forskellige katalytiske reaktioner, men deres anvendelse ved dehydrogenering af lette kulbrinter ved høje temperaturer har været begrænset. Ved propandehydrogenering er aktivering af C-H-bindinger ufølsom over for katalysatorstrukturen, men uønskede sidereaktioner såsom hydrolyse, isomerisering og koksdannelse er typiske strukturfølsomme reaktioner, der kræver deltagelse af flere metalatomer.

Derfor har SAC'er med isolerede dispergerede metalaktive centre åbenlyse fordele ved at undertrykke disse sidereaktioner og bliver potentielle kandidater til katalytisk dehydrogenering af alkaner.

For nylig demonstrerede et forskerhold ledet af prof. Botao Qiao fra Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, at anatase TiO₂ understøttet Ni-enkeltatom-katalysator (Ni₁ /A-TiO₂ ) udviste ikke kun overlegen iboende aktivitet og propylenselektivitet, men også meget bedre stabilitet end den tilsvarende Ni-nanopartikel (NP) katalysator (Ni_NP /A-TiO₂ ) i PDH-reaktion ved 580 °C.

Satsen for propylenproduktion på Ni₁ /A-TiO₂ var ca. 1,96 mol_C3H6 ·gNi ^-1 ·h ^-1 , over 65 gange end Ni_NP /A-TiO₂ prøve (0,03 mol_C3H6 ·gNi ^-1 ·h ^-1 ).

I kombination med HAADT-STEM, in-situ CO-DRIFTS, in-situ XPS og XAS karakteriseringer bekræftede de, at Ni SAC hovedsageligt indeholder individuelle Ni-atomer enkeltvis spredt på bæreren i positiv Ni (II) valenstilstand, med hovedsageligt spillede som aktivt centrum frem for at fremme dannelsen af ​​koordinerede umættede Ti-ion-steder.

Hertil kommer, som et resultat af stærk metal-støtte interaktion mellem Ni NP'er og TiO₂ bærer under reducerede forhold, Ni-nanopartiklers steder blev indkapslet af TiO_x overlag (~2 nm tykt) viste således lavere initial propankonvertering og lavere holdbarhed. Dette arbejde fremhæver fordelen ved enkeltatom-katalysatoren med et isoleret aktivt sted i PDH-reaktion og giver en reference til fremtidig forskning i fremstilling og anvendelse af SAC'er.

Resultaterne er offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Flere oplysninger: Qian Zhang et al., Katalytisk propandehydrogenering ved anatase-understøttede Ni-enkeltatom-katalysatorer, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64584-X

Leveret af Chinese Academy of Sciences