武漢大學定明月團隊在化學鏈乙烷氧化脫氫領域取得新進展

導讀

近日，武漢大學動力與機械學院教授定明月團隊在Angewandte Chemie International Edition（《德國應用化學》）在線發表了化學鏈乙烷氧化脫氫制乙烯的最新研究成果，論文題目為“Suppressing metallic Co0formation in Co-based catalyst by in-situ selective H2oxidation for efficient ethane dehydrogenation”。定明月和副教授田鑫為論文共同通訊作者，2025屆博士畢業生張東紅與博士研究生張炳震為共同第一作者，武漢大學動力與機械學院為第一署名及通訊單位。

乙烯作為全球產量最大的基礎有機化學品，在石油化工產業中占據核心地位，是多種大宗化學品和高分子材料的重要原料。在“雙碳”戰略背景下，乙烯生產正逐步由傳統石腦油蒸汽裂解路線向乙烷催化脫氫路線轉型。然而，現有商業脫氫催化劑多依賴Pt基或Cr基材料，普遍存在成本較高及環境不友好等問題。鈷基催化劑因其優異的C–H鍵活化能力而受到廣泛關注，但在乙烷脫氫過程中所產生的高濃度H?氣氛易將活性Co物種（Co2?）還原為金屬態Co0，進而引發積碳并導致催化劑快速失活。此外，乙烷脫氫反應受熱力學平衡限制，在中低溫條件下難以實現較高的轉化率。

原位H2移除強化鈷基催化劑乙烷脫氫制乙烯

為此，團隊創新構建了由CoOx/HZSM-5（Co/HZ）脫氫催化劑與CeO2修飾Bi2O3（CeBiOx）選擇性H2氧化氧載體組成的串聯催化體系。在化學鏈反應模式下，CeBiOx能夠對H2進行原位選擇性氧化，有效抑制Co2+物種向金屬態Co0的還原，同時推動脫氫反應平衡正向移動。在600oC條件下，優化的0.24CeBiOx–Co/HZ體系實現了40%的乙烷轉化率、80%的乙烯選擇性以及超過75%的H2原位轉化率。結合脈沖反應測試、半原位表征及密度泛函理論計算，研究表明：CeBiOx載氧體通過原位選擇性消耗H?，抑制了活性鈷物種的過度還原，避免金屬Co?的生成，從而有效抑制積碳并提升乙烯產率。該工作通過構建“催化脫氫-選擇性H2氧化”功能耦合體系，實現了活性位點穩定性與反應平衡調控的協同強化，為非貴金屬乙烷氧化脫氫催化劑的設計提供了新思路。

該研究工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、深圳市自然科學基金及中央高校基本科研業務費的支持。

論文鏈接：http://doi.org/10.1002/anie.8471327

來源：武漢大學