科学家合作报道一类钴硅沸石基丙烷脱氢催化剂的合成策略

北京时间2025年4月11日17:00，浙江大学肖丰收教授、王亮研究员团队与中国科学院大连化学物理研究所肖建平研究员、宁夏大学刘晰教授等合作。在Catalysis期刊上发表了一篇题为“Cobaltosilicate zeolite beyond platinum catalysts for propane dehydrogenation”研究论文。

该结果报告了一种钴硅沸石基丙烷脱氢催化剂的生成策略，以支持未来丙烷脱氢新技术的发展，取代贵金属催化剂。

通讯作者为肖丰收、王亮、肖建平、刘晰;第一个作者是周航、李欢。

丙烯是世界上产量最高的两种基本有机化学原料之一。蒸汽裂解和催化裂化联合生产是过去各种烯烃生产的主流，但这些过程的丙烯收率难以提高，难以满足快速增长的市场需求。随着2010年左右页岩气革命的推进和采矿技术的发展，丙烷催化脱氢技术(Propane dehydrogenation, PDH)丙烯生产工艺已成为目前生产能力增长最快的工艺。

过去几十年的研究表明，地球富含铁、锌、钴、镍、铬、钒和钼等许多金属或氧化物，具有脱氢催化作用，但以铂为代表的贵金属催化剂的综合性能远高于其他金属催化剂。例如，尽管Catofin工业技术中使用的工业Cr2O3/Al2O3基催化剂铬的承载能力高达15wt%-20wt%，远高于铂(一般承载能力为0.3)wt%上下)，但其整体催化效率明显低于以铂Oleflex为代表的贵金属催化工艺。

除了反应活性外，这些金属及其氧化物的使用寿命仍然是一个严重的问题。由于表面恢复或结焦，它们中的大多数会在几小时甚至几分钟内迅速失活，负载催化剂的回收寿命是一个长期未解决的问题，因为它们在恶劣的工作条件下不可逆煅烧。

多年来，科学界和工业界最感兴趣的话题之一是用廉价、环保、高效的非贵金属催化剂代替铂。该团队认为，用杂原子和晶体替代的沸石分子筛复合催化材料中的金属不仅大多以独立的态度高度分散，而且其金属配置结构也非常特殊，这与上述负载金属(氧化物)催化剂系统有本质区别。在这些材料中，大多数金属以单位点的形式存在于沸石分子筛的单独晶体结构中(少数称为双位点等)，因此具有特殊的微结构，可以为催化活性中心的性能和结构的调节提供更多的思路。

在此背景下，研究团队开发了一种高度稳定的研究团队 Co2 Cos-1是一种由框架取代的MFI分子筛催化剂，在丙烷高空进料的条件下，该催化剂的转化率接近热学上限，丙烯的选择性优于大多数报告的贵金属催化剂。除了氧化硅沸石晶体外，这些效果的关键还在于(CoS-1)引入丰富的稳定独立钴位点，形成丰富的钴位点 Coδ -O-除了SiOx键结构单元外，通过精确控制的酸处理选择和消除不稳定的钴类型，显著提高了Cos-1的催化活性、选择性、稳定性和再生性。

例如，当丙烷转化率为~58%时，丙烯的选择性也保持在~92%;采用模拟工业环境(分压0.4bar丙烷，600℃)进行检测， CoS-与PtSn/Al2O3催化剂相比，失活速度较低;最重要的是，CoS-1.当前PDH工艺催化剂以PT基催化剂Oleflex为代表，反应后可直接通入气体原点进行锻烧再生，无需氧化氯化等步骤，但不能在反应釜中原位焙烧再生。需要通过移动床连续移出氧氯化处理，通常需要配备复杂的催化剂再生系统和分离系统，能耗高，技术复杂。因此，这种钴硅沸石催化剂的整体性能可以为未来替代贵金属催化剂和开发更经济高效的丙烷脱氢新技术提供可能性。