近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張濤，研究員王愛(ài)琴、劉曉艷和副研究員楊冰等，與中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員高嶷團(tuán)隊(duì)合作，在單原子光熱協(xié)同催化丙烷脫氫反應(yīng)方面取得進(jìn)展。

　　丙烷脫氫反應(yīng)是制備丙烯的重要工業(yè)過(guò)程。該反應(yīng)為強(qiáng)吸熱過(guò)程，傳統(tǒng)熱催化需要在500 °C至800 °C的高溫下進(jìn)行，能耗高且易導(dǎo)致催化劑失活。盡管通過(guò)引入氧氣的氧化脫氫反應(yīng)可以降低反應(yīng)溫度，但存在丙烯過(guò)度氧化問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)溫和條件下的丙烷脫氫反應(yīng)具有重要意義。

　　該團(tuán)隊(duì)基于Cu1/TiO2單原子催化劑，在近環(huán)境條件下通過(guò)光熱協(xié)同催化，在水氣中實(shí)現(xiàn)了丙烷脫氫反應(yīng)。反應(yīng)溫度在連續(xù)流動(dòng)固定床反應(yīng)器中降低至50 °C至80 °C，反應(yīng)速率最高可達(dá)1201 μmol·gcat-1·h-1。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Cu單原子、水氣和光熱協(xié)同均對(duì)反應(yīng)有重要貢獻(xiàn)。同位素示蹤實(shí)驗(yàn)、原位EPR、CO-DRIFTS和DFT計(jì)算結(jié)果表明，該反應(yīng)在Cu1/TiO2單原子催化劑上，通過(guò)光解水產(chǎn)生氫氣和羥基，其中羥基可吸附在催化劑表面，從丙烷中提取氫原子生成丙烯和水；水參與反應(yīng)但并不損耗，發(fā)揮催化劑的作用；Cu單原子在反應(yīng)中促進(jìn)光生電子和空穴的分離，并在丙烷的C-H鍵活化和丙烯脫附方面發(fā)揮作用。該反應(yīng)機(jī)制與傳統(tǒng)丙烷直接脫氫和氧化脫氫不同，規(guī)避了高溫反應(yīng)的局限性。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光可以直接驅(qū)動(dòng)Cu1/TiO2單原子催化劑上的丙烷脫氫反應(yīng)。

　　上述研究為丙烷脫氫反應(yīng)提供了新的反應(yīng)路徑，并為利用太陽(yáng)能推動(dòng)溫和條件下的強(qiáng)吸熱反應(yīng)提供了范例。

　　相關(guān)研究成果以Light-driven propane dehydrogenation by a single-atom catalyst under near-ambient conditions為題，發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）等的支持。

科學(xué)家開(kāi)發(fā)出銅單原子催化劑實(shí)現(xiàn)低溫丙烷脫氫反應(yīng)