近日，國際化學領域頂級期刊《美國化學會志》以封面文章形式，發表了中國科研團隊在丙烷脫氫催化劑研究中的重要突破。
天津大學化工學院劉國柱教授團隊與太原理工大學、南開大學的研究團隊合作，成功研制出一種鍺取代沸石封裝銥單原子催化劑（IrGe@S-1），在國際上首次實現銥單原子在丙烷脫氫反應中的超長期穩定運行。該研究通過“剛柔并濟”的設計思路，為攻克丙烷脫氫催化劑高溫易失活這一世界性難題提供了新路徑，為我國高端催化劑的自主創新與產業鏈安全奠定了重要科學基礎。
丙烯是現代化工的關鍵基礎原料，被譽為石化工業的“基石”。從日常生活中的食品包裝、家電外殼、汽車內飾，到醫療器械、電子元件等高端領域，都離不開以丙烯為主要原料生產的聚丙烯等重要材料。據Fortune Business Insights 2026年1月發布的報告顯示，2023年全球丙烯市場規模已達約1213.4億美元，并保持穩步增長，其中亞太地區是最大消費市場，占全球總消費量的62%以上。然而，全球丙烯生產仍較多依賴石油煉化副產，其供應受煉油產業和乙烯生產調控的較大影響。
為提升丙烯供應的自主可控能力，我國近年來積極推動以丙烷為原料的丙烷脫氫工藝發展。該技術可將價格相對較低的丙烷直接轉化為高附加值的丙烯，有助于降低對進口原油的依賴，增強產業鏈安全性。當前，全球通過丙烷脫氫工藝生產的丙烯市場規模已達數百億美元，已成為增長最為迅速的丙烯生產路線之一。
在丙烷脫氫裝置這個龐大的工業“心臟”中，催化劑是其最核心的“瓣膜”。目前，全球丙烷脫氫工業裝置常規采用的鉑（Pt）基、鉻（Cr）基兩類傳統催化劑，在高達550-650℃的反應“熔爐”中，面臨活性中心“積碳覆蓋”與“燒結團聚”兩大核心挑戰，逐漸失去催化活性。催化劑的性能直接決定了裝置能連續穩定運行多久，是影響整個裝置生產效率和經濟效益的關鍵命脈。
當前，全球學者從提升金屬效率、開發替代金屬、探索全新反應路徑、以及強化催化劑穩定性等多條路徑同步研究。其中，單原子催化劑因其能夠顯著降低“積碳覆蓋”，將貴金屬原子利用效率推向理論極限而備受矚目。然而，單原子催化劑容易“燒結團聚”，即在高溫反應條件下極易遷移團聚而失活，只有保持其長期穩定性，才能發揮單原子催化劑的最大效用。
面對這一挑戰，天津大學化工學院劉國柱教授團隊采用“剛柔并濟”的策略，實現了銥單原子在丙烷脫氫反應中超過800小時的超長穩定運行，具備極高的活性、優異的選擇性與抗積碳性，為攻克上述難題提供了原創性解決方案。
研究團隊創造性地在純硅沸石骨架中摻入鍺原子。鍺的引入，像在沸石骨架中建造了更牢固的“錨樁”，與銥單原子形成極強的化學鍵，將銥原子牢牢“鎖”在特定位置，使其在高溫下也難以移動團聚，實現了“剛”性錨定。
研究發現，在反應過程中，通入的丙烷分子會與催化劑發生動態相互作用，“誘導”催化劑生成富含電子的低氧化態銥活性中心。這種“活”的結構，恰恰是高效切斷丙烷分子中C-H鍵的關鍵，也即“柔”性活化。
這種‘剛性骨架固定，柔性電子調變’的設計，使得催化劑在嚴苛環境中既能保持結構穩定，又能展現超高活性。該催化劑適配性強，其‘超長單程運行’特性可大幅降低現有裝置的停車再生頻率，有力提升生產連續性與運行效率。依托該催化劑卓越的催化性能，有望推動新一代高效率、低能耗丙烷脫氫裝置的研發與設計。
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