研究为丙烷脱氢反应提供了新的反应路径

近日，中国科学院教授、中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛、研究员王爱琴、研究员刘晓艳、副研究员杨冰等。在单原子光热协同催化丙烷脱氢反应方面取得新进展，与中国科学院上海高等研究所研究员高?团队合作开发铜单原子催化剂，完成低温丙烷脱氢反应。相关成果发表在《自然-化学》上。

低温度丙烷脱氢反应示意图。大连化物供应图

丙烷脱氢反应是制备丙烯的一个重要工业过程，因为它是一个强吸热过程，传统的热催化需要在500。°C至800 °C在高温下进行，能耗高，容易导致催化剂失活。虽然引入氧气的氧化脱氢反应可以降低反应温度，但也存在丙烯氧化过多的问题。因此，在柔和的情况下开发丙烷脱氢反应具有重要意义。

在这项工作中，基于Cu1/TiO2单原子催化剂，团队在水蒸气中通过光热协同催化完成丙烷脱氢反应，在连续流动固定床反应器中反应温度降至50。°C至80 °C。与实验数据相比，Cu单原子、水蒸气和光热协同对反应有着不可替代的贡献。根据同位素跟踪试验、原点EPR等计算结果，该反应在Cu1/TiO2单原子催化剂上，通过光解水产生氢和甲基，其中甲基可以附着在催化剂表面，氢原子从丙烷中产生丙烯和水。水参与反应但不消耗，起到催化剂的作用。同时，Cu单原子在反应中促进了光生电子与空穴的分离，在丙烷的C-H键活性和丙烯脱附方面发挥了重要作用。与传统丙烷直接脱氢和氧化脱氢不同，这种反应机制避免了高温反应的局限性。另外，团队还发现，Cu1/TiO2单原子催化剂上的丙烷脱氢反应可以直接驱动太阳光。

该工作为丙烷脱氢反应提供了新的反应路径，也提供了利用太阳能促进柔和条件下强吸热反应的案例。