天津大学的热辐射催化乙烷脱氢制乙烯研究获进展

近日,天津大学、多伦多大学、香港中文大学(深圳)的研究团队以乙烷脱氢制乙烯为模型反应,在自主设计的热辐射反应器中演示热辐射催化,引入CO2作为热辐射接收器,不仅可以提高气体分子的温度,还可以增强反应分子间的非弹性碰撞。将CO2分子视为催化剂,研究表明CO2接收热辐射后引发新的均相气相乙烷脱氢反应路径。相关研究成果发表于《焦耳》杂志。

根据普朗克定律,温度在500～1 000 ℃之间的黑体辐射主要位于1 000～10 000 nm之间的红外区域,而该范围包含大量分子的红外吸收特征峰。因此,上述热辐射有望通过调控温度进而控制其光谱分布,并选择性地影响分子在高温条件下的运动状态,进而促进热辐射催化反应的进行。利用热辐射将光催化耦合至热反应过程中将具有重要意义。

该研究团队通过理论模拟证实热辐射激发CO2和乙烷特定振动模式可降低C—H键解离能,实现优先C—H断键的新乙烷脱氢路径。实质上,乙烷脱氢是通过热辐射振动能量传递引发的,而热辐射振动能量传递又通过乙烷和CO2分子之间的非弹性碰撞发生,促使乙烯选择性达到99.26%,反应速率提高120%。通过分子动力学(AIMD)模拟验证CO2和乙烷之间的反应,证实乙烷的H原子在碰撞后可以被CO2捕获。

该研究可为低成本光源的热辐射催化合成乙烯提供借鉴。