大连化学物理研究所开发出新型丙烷脱氢双原子催化剂

近日，大连化学物理研究所催化与新材料研究中心（1500组）张涛院士、王晓东研究员、林坚研究员团队与福州大学林森教授等合作，在双原子催化剂的制备及其协同机制的研究方面取得新进展，开发的新型双原子催化剂表现出优于单原子催化剂的丙烷脱氢性能。 　

丙烯是一种重要的有机化工原料。丙烷脱氢制丙烯和氢气（PDH）是原子经济型的反应，也是一种重要的工业生产丙烯过程。目前，该过程主要采用Pt基和Cr基催化剂，面临价格较昂贵、环境不友好等问题，开发非Pt非Cr基高效PDH催化剂具有重要意义。 　

近年来，具有配对活性位点的双原子催化剂（DACs）是多相催化领域研究热点之一，但其活性中心的协同作用还需明确。本工作中，团队开发了一种高性能的Zn1Co1异双原子催化剂，其中，PDH反应的主要活性中心为N桥连的Zn1Co1双原子对。与Zn1/NC、Co1/NC单原子催化剂，以及Zn2/NC双原子催化剂相比，Zn1Co1异双原子催化剂具有更高的活性（90h-1）和选择性（95%），反应性能与工业Cr基催化剂相当并表现出更高的稳定性。系列表征和理论计算结果表明，PDH性能的增强是由于N物种配位的Zn1和Co1之间的电子相互作用促进了C3H8的C-H键的活化；反应过程中Zn1位动态下降而Co1位动态上升，并且所产生H物种能够覆盖Zn1位，促进丙烯从Co1位解吸，进而提高了选择性。 　　

进一步，该团队发表了双原子金属催化剂研究的综述文章，系统总结该类催化剂在多相催化研究方面取得的最新进展。探讨了双原子催化剂活性中心结构、双原子金属间作用机制等，并对双原子活性中心微区环境的调控以促进高效催化剂的设计制备进行了展望。 　　

该团队长期致力于单原子、亚纳米催化剂制备及其应用的基础研究，取得了系列成果。在单原子和金属氧化物双位点催化（Angew. Chem. Int. Ed.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2022）、单原子与金属有机框架材料（UiO-66）双位协同催化（J. Am. Chem. Soc.，2023），单原子中心微环境（内外层）协同催化（Nat. Catal.， 2022）等研究基础上，拓展至双原子催化领域，为高效催化剂的理性设计提供一定的借鉴。 　　

相关工作以“Dual-Atom Catalyst with N-Colligated Zn1Co1 Species as Dominant Active Sites for Propane Dehydrogenation”“Inter-metal Interaction of Dual-Atom Catalysts in Heterogeneous Catalysis”为题，分别发表在《美国化学会杂志》 （Journal of the American Chemical Society）和《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。上述工作得到国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划、大连市杰出青年科技人才支持计划、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。