英文原题：Breaking the stability limit of zeolite-based alkane dehydrogenation catalysts

作者：Zhiqiang Liu*, Anmin Zheng*

01 论文信息

论文信息

Liu Z, Zheng A. Breaking the stability limit of zeolite-based alkane dehydrogenation catalysts[J]. Green Carbon, 2024.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.07.006

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Breaking the stability limit of zeolite-based alkane dehydrogenation catalysts

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 武汉科技大学刘志强教授、郑安民教授：沸石限域金属团簇实现超稳烷烃脱氢

02 背景简介

在工业催化领域，沸石分子筛因其独特的规则孔道结构、优异的水热稳定性和可调控的物化性质占据重要地位。基于其特有的择形催化效应和纳米限域作用，该类催化剂在小分子活化及烷烃定向转化中展现出显著优势。通过精准调控沸石骨架拓扑结构、优化酸性位点分布以及构筑金属-酸位协同体系，分子筛基催化剂已成功应用于石油炼制、环境治理和精细化学品合成等关键领域。以MFI型纯硅沸石Silicalite-1（S-1）为例，其全硅骨架赋予催化剂优异的疏水性和热稳定性，在构建高分散金属活性中心方面表现突出。特别是在丙烷脱氢（PDH）反应体系中，S-1因完全缺失Brønsted酸性位，可有效抑制裂解、积碳等副反应，成为高温非氧化脱氢过程的理想载体。研究表明，将亚纳米PtZn团簇封装于S-1中，能够在PDH反应中实现高达99%的丙烯选择性和超过200小时的稳定性。然而，尽管取得了这些进展，在高转化率下维持稳定性仍然是PDH反应面临的主要挑战。目前实际应用中仍以Pt和Cr基催化剂为主，并需要频繁再生。

近日，武汉科技大学刘志强教授、郑安民教授在Green Carbon发表题为“Breaking the stability limits of zeolite-based alkane dehydrogenation catalysts”文章，针对厦门大学王野教授团队在Science上发表的文章“Stable anchoring of single rhodium atoms by indium in zeolite alkane dehydrogenation catalysts”，进行了系统性分析和点评。

03 文章简介

主要内容

王野教授团队在Science发表的突破性研究揭示了一种创新单原子催化剂设计策略：通过铟（In）动态锚定机制实现铑（Rh）原子在MFI沸石孔道内的稳定分散。铑基催化剂已在氢甲酰化、尾气处理等工业过程中广泛应用，但其在轻烷烃脱氢领域的潜力长期被忽视。研究发现，虽然孤立Rh位点对C-H键活化具有卓越活性，但在丙烷脱氢（PDH）高温条件下极易发生金属团聚，导致完全裂解主导的非选择性反应。针对这一瓶颈，研究团队创造性利用铟的"动态迁移-锚定"特性，开发出RhInx@S-1新型催化体系。实验表明，在还原性气氛中，In₂O₃前驱体可自发迁移进入S-1沸石的十元环孔道，通过占据骨架硅羟基（Si-OH）位点并与Rh形成稳定的Rh-In金属键，有效抑制Rh原子的热迁移团聚。基于此原理构建的In/Rh@S-1催化剂在纯丙烷进料、无稀释剂的严苛条件下展现出卓越的性能：在550 °C连续运行5500小时过程中，丙烯选择性稳定维持在99%以上，丙烷转化率始终接近热力学平衡极限（~ 48%），且未观察到金属烧结现象。这种“金属迁移自组装”策略为设计超稳定单原子催化剂开辟了新范式，对开发高效节能的低碳烯烃生产技术具有重要指导意义。

总结及展望

这一创新方法充分利用了铟的动态迁移特性，成功解决了金属-沸石催化剂长期面临的难题，特别是因金属烧结和积碳导致的催化剂失活问题。此外，该方法在其他烷烃（如乙烷和丁烷）脱氢反应中也展现出极高的通用性，兼具高烯烃选择性和稳定性。这一突破为开发低碳足迹的低碳烯烃生产工艺铺平了道路，避免了频繁的催化剂再生，有望成为超越传统Pt和Cr基催化剂的新一代催化技术。

04 作者简介

郑安民 教授

郑安民，武汉科技大学化学与化工学院／核磁共振与分子交叉研究院教授，博士生导师。国家杰出青年基金、优秀青年基金获得者。主要从事多孔固体催化材料吸附扩散、酸碱活性中心特性和反应机理的固体核磁共振实验和多尺度理论模拟研究。在Science, Nat. Nanotechnol., PNAS, Sci. Adv., Nat. Protoc., J. Am. Chem., Soc., Angew. Chem.等期刊上发表研究论文100余篇，应邀为Chem. Rev., Chem. Soc. Rev.和Acc. Chem. Res.撰写综述论文，编撰的《分子筛催化理论计算—从基础到应用》2020年由科学出版社出版。

刘志强 教授

刘志强，武汉科技大学化学与化工学院／核磁共振与分子交叉研究院教授，博士生导师，“香涛”青年百人。先后主持国家自然科学基金面上项目、青年项目C类、湖北省杰出青年项目、湖北省"青年拔尖人才计划"项目、中国博士后科学基金特别资助等，主要聚焦于多相催化领域分子筛扩散机制研究。以第一/通讯（含共同）作者在Science（2篇），Science Advances（1篇），PNAS（1篇），JACS（2篇）, Nature Nanotechnology（1篇），Nature Communications（4篇）等期刊发表论文三十余篇。曾获湖北省化学化工“先进青年工作者”、“楚天英才计划”青年人才、湖北省博士后“先锋人才”，担任Green Carbon青年编委。

05 Green Carbon

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