丙烷脱氢催化剂结构演化的新机制揭示

近日，中国科学技术大学教授曾杰团队联合电子科技大学研究员李旭在丙烷脱氢反应中的金属催化剂结构进化方向取得新进展。研究人员制备了一种二氧化硅负载的铂合金簇催化剂。在高浓度丙烯的诱导下，第一次发现无序的铂合金簇演变成铂合金金属间化合物，丙烷脱氢反应的活性超过了大多数铂催化剂。相关成果发表在《自然-通信》中。

催化剂在多相催化反应中不是一成不变的，通常会发生结构变化。在温度和氛围的作用下，催化剂的活性金属和媒体会出现原子重排、晶面重构等一系列现象，导致催化剂性能发生显著变化。显然，催化剂结构演变过程对于识别活性位点和建立结构效率关系具有重要意义。在丙烷脱氢反应中，合金催化剂结构演变的诱因一般被认为是高温和氢气，而产品丙烯在催化剂结构演变中的作用尚不清楚。

研究人员利用溶液相分步强静电吸附法，依次在二氧化硅表面负荷铂和铂，并通过高温氢还原获得合金簇。一系列谱学实验结果表明，只有少量铂和铂合金被恢复。在生成的铂合金簇中，铂合金更倾向于分布在表面。同时，证明铂合金与二氧化硅介质之间存在的氧化物种可以有效抑制铂合金的煅烧。

催化检测结果表明，铂合金催化剂在高浓度丙烷气氛中显示出明显的活性诱导期。虽然催化剂的初始活性很低，但随着检测时间的延长，它迅速增加，并且基本保持稳定。该催化剂在稳定状态下的活性超过了文献中大多数铂催化剂，比已报道的铂合金的活性高出一个数量级。

研究人员发现，在高浓度丙烯产物的诱导下，催化剂的结构从催化剂中挥发并凝结到应时管的末端，导致活性位点铂的暴露和诱导期的出现。铂金合金集团逐渐演变为平均尺寸只有1.3纳米的铂金属间化合物，超小的尺寸来自于界面处氧化物种带来的抗煅烧性能。

研究人员表示，该工作强调催化产品在催化剂动态结构演化中起着重要作用，为高性能丙烷脱氢催化剂的理性设计提供了新的视角。