【海川化工科技前沿】大连化物所开发铜单原子催化剂实现低温丙烷脱氢反应

大连化物所开发铜单原子催化剂实现低温丙烷脱氢反应

发布时间：2025-03-31  

近日，我所催化与新材料研究中心（1500组群）张涛院士、王爱琴研究员、刘晓艳研究员、杨冰副研究员等，与中国科学院上海高等研究院高嶷研究员团队合作，在单原子光热协同催化丙烷脱氢反应方面取得新进展。

丙烷脱氢反应（PDH）是制备丙烯的重要工业过程，由于该反应为强吸热过程，传统热催化需要在500 °C至800 °C的高温下进行，能耗高且易导致催化剂失活。尽管通过引入氧气的氧化脱氢反应（ODHP）可以降低反应温度，但同时存在丙烯过度氧化的问题。因此，开发温和条件下的丙烷脱氢反应具有重要意义。



1500组群长期致力于多相催化、环境催化和生物质转化研究，在单原子催化领域取得了系列成果。近年来，团队在光热协同催化丙烷氧化（Angew. Chem. Int. Ed.，2020）和甘油转化（Angew. Chem. Int. Ed.，2024）等领域也取得系列进展。本工作中，团队基于Cu1/TiO2单原子催化剂，在近环境条件下通过光热协同催化，在水气中实现了丙烷脱氢反应，反应温度在连续流动固定床反应器中降低至50 °C至80 °C，反应速率最高可达1201 μmol·gcat-1·h-1。对比实验结果显示，Cu单原子、水气和光热协同均对反应有不可替代的贡献。同位素示踪实验、原位EPR、CO-DRIFTS和DFT计算结果表明，该反应在Cu1/TiO2单原子催化剂上，通过光解水产生氢气和羟基，其中羟基可吸附在催化剂表面，从丙烷中提取氢原子生成丙烯和水；水参与反应但并不损耗，发挥了催化剂的作用；Cu单原子在反应中促进光生电子和空穴的分离，并在丙烷的C-H键活化和丙烯脱附方面发挥了关键作用。该反应机制与传统丙烷直接脱氢和氧化脱氢不同，规避了高温反应的局限性。此外，团队还发现太阳光可以直接驱动Cu1/TiO2单原子催化剂上的丙烷脱氢反应。该工作为丙烷脱氢反应提供了新的反应路径，也为利用太阳能推动温和条件下的强吸热反应提供了范例。

相关研究成果以“Light-driven propane dehydrogenation by a single-atom catalyst under near-ambient conditions”为题，发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）上。该工作的共同第一作者为我所1502组康磊磊副研究员和中国科学院上海高等研究院朱倍恩研究员。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金委“单原子催化”基础科学中心项目、中国科学院B类先导专项“基于超极化NMR的酶催化原位动态分子转化机制研究”等项目的资助。

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