蘇州納米所徐勇團隊在光驅(qū)動乙烷脫氫制乙烯方面取得進展
乙烯是化學(xué)工業(yè)中最重要的化學(xué)品之一,傳統(tǒng)上主要通過石油催化裂解生產(chǎn)。近年來,隨著富含輕質(zhì)烷烴的頁巖氣儲量增加,乙烷脫氫制乙烯成為新的研究前沿。理論上,乙烷脫氫制乙烯可通過選擇性活化乙烷的兩個C-H鍵實現(xiàn),但由于乙烷C-H鍵鍵能較高,傳統(tǒng)脫氫過程需在高溫(>600 °C)下進行,導(dǎo)致能耗高、積碳嚴重及催化劑燒結(jié)等問題。因此,開發(fā)溫和條件下可持續(xù)的乙烷脫氫制乙烯策略具有重要意義。
光催化為太陽能向化學(xué)能的可持續(xù)溫和轉(zhuǎn)化提供了極具吸引力的策略。在此背景下,光驅(qū)動乙烷脫氫(LDEDH)在化工領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注,但乙烷C-H鍵的高鍵能使其面臨巨大挑戰(zhàn)。LDEDH的主要瓶頸在于光生載流子遷移的動力學(xué)限制及其復(fù)合,此外,光誘導(dǎo)氧化物種可能導(dǎo)致過度氧化,實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性轉(zhuǎn)化仍面臨重大挑戰(zhàn)。為提升LDEDH的光催化性能和選擇性,需精準設(shè)計催化劑結(jié)構(gòu)以增強光吸收和電子-空穴對分離,并抑制乙烷過度氧化為CO?。迄今為止,研究人員已開發(fā)多種用于光催化烷烴轉(zhuǎn)化的催化體系,但仍需系統(tǒng)研究催化劑的合理設(shè)計,以同時實現(xiàn)LDEDH過程中的高效電荷分離、高選擇性和長期穩(wěn)定性。
針對上述問題,蘇州納米所創(chuàng)新實驗室徐勇研究員開發(fā)了一種Pd/ZnO-TiO?催化劑,其TiO?覆蓋層可最大化界面面積以實現(xiàn)定向電荷分離。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是蒸汽的雙重作用:作為選擇性脫氫的·OH源,同時持續(xù)去除積碳以實現(xiàn)前所未有的152小時穩(wěn)定性。詳細表征證實,Ti-O-Zn界面引導(dǎo)光生電子至ZnO、空穴至TiO?,Pd納米簇進一步增強電子轉(zhuǎn)移和乙烷吸附。這種協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)了1640.9 μmol h-1(273.4 mmol/g/h)的創(chuàng)紀錄乙烯產(chǎn)率,選擇性達98.7%,超過現(xiàn)有催化劑7倍以上。值得注意的是,通過菲涅爾聚光透鏡利用自然陽光照射間歇式反應(yīng)器也可實現(xiàn)LDEDH,為利用自然太陽能生產(chǎn)乙烯提供了可行策略。
該工作以Stable, High-Yield Ethylene Production from Vapor-Assisted Light-Driven Ethane Dehydrogenation為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上。蘇州納米所為第一單位,該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“率先行動”引才計劃、姑蘇領(lǐng)軍人才計劃的支持。

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