ChemCatChem：单原子铁催化剂用于乙烷催化脱氢反应

乙烯是一种重要的化学工业原材料，可以用于生产塑料、纤维、橡胶和其他精细化学品。目前，乙烯主要由石脑油或其他碳氢化合物蒸汽裂解制得。然而上述过程需要在高温下进行，这不仅需要巨大的能耗，还会向环境释放有害物质。即便如此，乙烯的产量仍然不能满足日益增长的需求。近几年，科研工作者在北美和中东地区发现了大量的页岩气，其主要成分为甲烷和乙烷。由于页岩气的储量丰富、价格低廉，所以通过乙烷-乙烯过程生产乙烯或许可以为乙烯的短缺提供解决方案。由于乙烷催化脱氢过程是吸热反应，往往需要在较高的温度进行反应，很容易发生积碳和活性金属的聚集长大，从而导致催化剂的失活。所以需要设计制备新型的抗结焦、抗烧结的非贵金属催化剂以改善上述缺点。

最近，中国科学院兰州化学物理研究所的崔新江课题组开发了一种Fe单原子催化剂并应用于乙烷催化脱氢反应，通过球差电镜和同步辐射表征确认了Fe单原子形貌和结构。通过X射线光电子能谱（XPS）证明了活性金属Fe与Al₂O₃之间存在金属-载体强相互作用（SMSI）。正是由于这种强相互作用，使得活性金属Fe在600 ℃的反应温度下未发生聚集长大。并且由于这种特殊的结构，在经过16个小时的连续乙烷脱氢反应后，催化剂的积碳仅为2.2 %。在合适的Fe担载量（4.5 wt%）条件下，催化剂的转化率（7 %）和乙烯选择性（97 %）达到了最优，并且单原子Fe催化剂能够稳定运行16小时。对比催化剂反应前后，催化剂的活性金属Fe的价态和结构没有发生明显变化。该工作证明了单原子结构能够为非贵金属乙烷催化脱氢材料提供一种新的设计思路，并且能够改善催化剂容易失活的问题。

论文信息

Single-Atom Fe Catalyst for Catalytic Ethane Dehydrogenation to Ethylene

Xiaogang Yu, Guomin Li, Shenghui Tao, Bin Wang, Dr. Ce Liu, Dr. Huanwang Jing, Dr. Feng Shi, Dr. Xinjiang Cui

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202201612