北京交通大学的硼氧氮纳米管催化丙烷氧化脱氢技术研究获进展

近日，北京交通大学的研究团队通过一种有效的逐步替代策略，成功制备出富含O—O物种的硼氧氮纳米管(BONNTs)催化剂，该催化剂在丙烷氧化脱氢(OPDH)反应中表现出高活性、选择性和稳定性。相关研究成果发表于《美国化学会志》。

传统丙烯制备方法是由石脑油和液化气蒸汽裂解，该方法能耗高、丙烯收率低。丙烷脱氢(PDH)和OPDH在热力学上为放热反应，具有打破平衡极限、抗焦炭特性等优点，被广泛关注。

目前，硼基OPDH催化剂可以实现30%～40%的烯烃收率。但OPDH反应过程中通常会出现丙烯过度氧化生成无价值COx的问题，阻碍其工业应用。

氮化硼(BN)作为OPDH的一种高效催化剂，得到广泛研究。通常含氧硼物种[如BO·，B(OH)xO3-x]被认为是OPDH的活性中心。对于OPDH反应，设计一种具有高活性、选择性和稳定性的新型活性中心催化剂势在必行。

该研究团队以碳纳米管(CNTs)为前体，采用渐进替代策略制备BONNTs。能谱映射结果证实B，N，O均匀分布在BONNTs壁上。BONNTs在OPDH反应中表现出高活性，丙烷转化率随着温度升高而增加。525 ℃下，烯烃选择性可达75.5%，产率为48.6%，丙烷转化率为64.4%。且BONNTs具有良好的催化稳定性，150 h后丙烷转化率仍保持在29%以上，烯烃选择性保持在80.0%以上。

结果表明，在BONNTs中存在B(OH)xO3-x和O—O两种活性物种。根据产物分析和密度泛函理论(DFT)计算，O—O物种在生成丙烯和乙烯过程中起关键作用，在B(OH)xO3-x活性位更倾向于生成丙烯，在O—O物种上经历一个能垒较低的脱水途径产生丙烯产物；而乙烯的获得则主要是通过丙烷的直接裂解和甲基的氧化偶联(OCM)。

该研究结果可为设计和构建催化剂内部O—O物种、提高OPDH催化活性提供借鉴。