厦门大学，发2024年最新Science！

2024年2月29日，厦门大学王野、傅钢及中国科学院上海应用物理研究所姜政共同通讯在Science 在线发表题为“Stable anchoring of single rhodium atoms by indium in zeolite alkane dehydrogenation catalysts”的研究论文，该研究提出了一种设计稳定的单原子催化剂的策略，即利用第二金属将贵金属原子锚定在沸石通道内。

在烷烃脱氢过程中，通过铟的原位迁移，在沸石硅石-1内部形成单原子铑-铟簇催化剂。该催化剂在连续纯丙烷脱氢5500小时内表现出优异的抗焦稳定性，丙烯选择性为99%，丙烷转化率接近550℃的热力学平衡值。该催化剂在600℃下稳定运行，丙烷转化率>60%，丙烯选择性>95%。

对丙烯不断增长的需求推动了催化非氧化丙烷脱氢(PDH)的研究，目的是生产具有聚合物质量纯度的丙烯。两种催化剂，基于氧化铬和基于铂的催化剂(分别为C_rO_x/Al₂O₃和PtSn/Al₂O₃)，目前在商业过程中使用，但在实现高丙烷转化率所需的高温(>500℃)下，由于焦炭沉积或催化剂结构恶化，两者都存在快速失活的问题，因此需要频繁的催化剂再生。一般来说，基于铂的催化剂比基于C_rO_x的催化剂表现出更好的性能和更高的稳定性，后者通常在几分钟内失活。通过使用金属添加剂(通常是Sn, Zn, Ga, Cu，甚至是稀土金属)来形成纳米级双金属位点或合金，Pt催化剂的稳定性和焦化抑制得到了进一步的改善。贵金属的原子分散对PDH的活性和选择性有有益的影响。一些研究报道，通过将金属活性位点限制在微孔材料的孔道内，可以提高稳定性。尽管进行了大量的研究，但在工业相关条件下，还没有一种催化剂表现出超过500小时的连续PDH稳定性。即使在短期的PDH反应中，大多数最先进的催化剂的活性或选择性也会持续下降。受限双金属位点或合金的合成可以将寿命延长到100到200小时，但它们的合成过程过于复杂，不适合大规模应用，而且这些催化剂在长期运行中也会失活。合金基催化剂性能的下降可归因于通过复杂的程序制造的双金属活性相的分离，从而失去了其初始效率。这种失活是由于金属在高PDH温度下的动态特性造成的。防止活性单原子催化剂，即使是那些具有双金属位点或合金的催化剂，在恶劣的反应条件下变质仍然是一个很大的挑战。

Rh@S-1和in改性Rh@S-1的催化反应性（图源自Science ）

该研究提出了一种策略，利用铟的动态迁移特性，轻松构建一种单原子铑-铟合金催化剂，该催化剂对长期无再生的烷烃脱氢具有高效和稳健的作用。将In前驱体与MFI结构的纯硅质沸石-1 (S-1)结合，通过简单的物理混合或浸渍，制备了PDH催化剂，该催化剂在450°C至600°C的温度下，丙烯的产率接近热力学极限，在550°C的温度下，纯丙烷的转化率至少稳定5500小时。该催化剂也可用于乙烷和正丁烷分别脱氢为乙烯和丁烯。该研究为在恶劣的反应条件下合成坚固的单原子催化剂提供了一个简单的方案。论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5195