近日，北京化工大學和美國普渡大學的研究團隊合作探索了金屬Ru作為活性金屬催化丙烷脫氫反應的規(guī)律，通過引入和調控非金屬元素P的含量獲得不同表面配位結構的金屬磷化物催化劑，并揭示磷化物納米顆粒表面金屬的幾何和電子結構對催化劑選擇性和穩(wěn)定性的作用規(guī)律。相關研究成果發(fā)表于《美國化學會雜志》。

近年來，隨著北美頁巖氣產業(yè)的崛起，丙烷脫氫制丙烯不僅可促進丙烯增產，還可實現(xiàn)頁巖氣的高價值利用。在我國聚丙烯、環(huán)氧丙烷等丙烯下游產品高需求下，丙烷脫氫項目受到行業(yè)追捧。但目前引進國外的Oleflex和Catofin工藝中使用的Pt系貴金屬和CrOx氧化物催化劑存在穩(wěn)定性差、成本高和環(huán)境污染等問題，迫切需要開發(fā)具有自主知識產權的高效、綠色環(huán)保的丙烷脫氫用負載型催化劑。

金屬Ru由于其獨特的晶體結構及高溫條件下良好的抗積炭能力而在烷烴脫氫反應中具有潛在的應用價值。該研究團隊通過引入和調控非金屬元素P的含量獲得了不同表面配位結構的金屬磷化物催化劑，利用原位XPS、同步輻射、透射電鏡、X射線吸收光譜等技術闡明金屬磷化物晶體結構隨組成變化的演變過程：Ru→Ru2P→RuP，并對比了不同組成的磷化物表面金屬的配位環(huán)境、4d電子軌道能量和吸附性質。研究結果表明，RuP晶體結構表面孤立的Ru原子抑制了氫解和深度脫氫等副反應，提高了催化劑選擇性和穩(wěn)定性。此外，Ru的4d軌道電子能量的提高對降低反應活化能和提高丙烯選擇性也有促進作用。RuP金屬磷化物催化劑在600 ℃和適宜空速的反應條件下，可達到25%的丙烷轉化率和93%的丙烯選擇性，連續(xù)反應12 h后產率損失僅為7%，其失活速率常數(shù)遠低于目前報道的Pt系和金屬氧化物催化劑。