丙烷脱氢用高效RuP催化剂的设计及结构调控

近日，北京化工大学和美国普渡大学的研究团队合作探索了金属Ru作为活性金属催化丙烷脱氢反应的规律，通过引入和调控非金属元素P的含量获得不同表面配位结构的金属磷化物催化剂，并揭示磷化物纳米颗粒表面金属的几何和电子结构对催化剂选择性和稳定性的作用规律。相关研究成果发表于《美国化学会杂志》。

近年来，随着北美页岩气产业的崛起，丙烷脱氢制丙烯不仅可促进丙烯增产，还可实现页岩气的高价值利用。在我国聚丙烯、环氧丙烷等丙烯下游产品高需求下，丙烷脱氢项目受到行业追捧。但目前引进国外的Oleflex和Catofin工艺中使用的Pt系贵金属和CrOx氧化物催化剂存在稳定性差、成本高和环境污染等问题，迫切需要开发具有自主知识产权的高效、绿色环保的丙烷脱氢用负载型催化剂。

金属Ru由于其独特的晶体结构及高温条件下良好的抗积炭能力而在烷烃脱氢反应中具有潜在的应用价值。该研究团队通过引入和调控非金属元素P的含量获得了不同表面配位结构的金属磷化物催化剂，利用原位XPS、同步辐射、透射电镜、X射线吸收光谱等技术阐明金属磷化物晶体结构随组成变化的演变过程：Ru→Ru2P→RuP，并对比了不同组成的磷化物表面金属的配位环境、4d电子轨道能量和吸附性质。研究结果表明，RuP晶体结构表面孤立的Ru原子抑制了氢解和深度脱氢等副反应，提高了催化剂选择性和稳定性。此外，Ru的4d轨道电子能量的提高对降低反应活化能和提高丙烯选择性也有促进作用。RuP金属磷化物催化剂在600 ℃和适宜空速的反应条件下，可达到25%的丙烷转化率和93%的丙烯选择性，连续反应12 h后产率损失仅为7%，其失活速率常数远低于目前报道的Pt系和金属氧化物催化剂。