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福大研制首款“自愈再生”丙烷脱氢催化剂
为全球丙烷制丙烯产业提供“绿色钥匙”
丙烯是制造塑料、地毯、口罩、汽车部件等产品的基础化工原料。一直以来，通过丙烷脱氢生产丙烯使用的催化剂严重依赖进口，且这种催化剂在应用过程中需要频繁地在含氯氧化气氛中再生，不仅容易腐蚀设备，还会排放含氯污染物。
4月10日，国际顶级期刊《科学》发表了一项来自中国科研团队的突破性成果：福州大学鲍晓军、朱海波教授团队联合多家单位，历时6年成功研制首款可“自愈再生”的智能丙烷脱氢铂催化剂，为解决上述问题提供了新途径。该技术首次在无氯条件下实现催化剂超百次再生，为全球丙烷制丙烯产业提供了一把“绿色钥匙”。
鲍晓军教授带领团队开展实验。
研究背景
生产丙烯的催化剂严重依赖进口
塑料是日常生活中常见的一种化工产品，丙烯是塑料生产非常重要的基础化工原料，也是橡胶、纤维、医药制造等必需的原料。全球每年消耗大量丙烯，且需求仍在增长。目前，约10%的丙烯通过丙烷脱氢（PDH）技术生产，而页岩气革命带来的廉价丙烷，让PDH成为近几年化工领域的“明星赛道”。
通过丙烷脱氢生产丙烯要用到催化剂，负载型铂团簇催化剂是常用选择之一，但这类催化剂在苛刻服役工况下极易发生烧结失活。通俗地说，就是催化剂中的铂在使用一段时间后会从原子级大小的铂团簇变成几百纳米级的铂粒子而失效，因此必须定期“复活”，使纳米级的铂粒子重新分散为原子级的铂团簇。
传统再生方法利用剧毒氯气来当“帮手”，通过氯诱导铂颗粒再分散，同时烧除积炭，以恢复其催化活性。但是，使用氯气不仅会产生严重的污染，还会腐蚀生产设备。据介绍，这样生产丙烯需消耗大量氯气，会产生大量的碳排放，环保成本居高不下。
一直以来，我国生产丙烯用的催化剂严重依赖进口。为摆脱催化剂的进口依赖，提升国产PDH装置的竞争力，福州大学瞄准两个亟待解决的核心问题：怎样避免氯的使用？如何延长催化剂的寿命？
鲍晓军教授带领团队分析数据。
技术突破
造一个“安全屋”让催化剂“自愈”
福州大学鲍晓军、朱海波团队耗时6年，重构催化剂结构，发现并报道了一种含锗分子筛负载的铂催化剂，它在丙烷脱氢反应中表现出前所未有的“自修复”能力和超高稳定性。
该研究团队围绕创制无氯条件下可再生的铂基催化剂这一重大课题开展研究，发现含锗分子筛负载的铂催化剂具有独特的环境适应能力及含锗分子筛在氧化气氛中具有奇特的“捕获”铂的能力，据此提出了一种简单、高效的PDH催化剂制备方法。
该催化剂在“脱氢反应-烧炭再生”循环中表现出“Pt8团簇⇌Pt1单原子”动态可逆转化。尤为重要的是，它在800℃氧化环境中连续处理长达10天后，催化剂孔道内的铂物种依然保持稳定，首次实现了在无氯氧化气氛中超百次的完全再生。
这相当于给出了两项颠覆性设计。
一是建造分子筛“安全屋”，在高温下锁住铂原子。研究人员将铂金属颗粒封装在含锗元素的分子筛（一种多孔材料）中，这种结构如同为铂颗粒打造了“蜂窝状安全屋”，即使经历800℃高温，铂也不会团聚失效。
二是“变形金刚式”再生，空气烧一烧就能复活。当催化剂因积碳失活时，只需用空气加热，铂颗粒会主动“解体”成单原子态“休眠”，积碳被烧除后，铂原子又能自动重组回高效工作状态。全程无需氯气，再生周期延长数倍，减少能耗、降低成本，并有效减少有毒气体的排放。
未来应用
为合成新型催化剂提供新思路
这项研究不仅为解决工业催化剂在苛刻条件下失活的难题提供了一种全新的、有效的“自修复”策略，更为丙烷脱氢过程开发下一代超稳定催化剂带来希望，而且它揭示的“金属在含锗分子筛上反常自发分散”现象，为设计和合成具有特定结构和优异性能的新型催化材料提供了新的思路和方法。
“就像给催化剂赋予了生命，把传统的催化剂变成一种智能催化剂，让它能在不同环境中自适应并自我修复。”鲍晓军说，“这项突破不仅解决了一个具体工艺难题，更提供了一种金属催化剂设计的新途径。”
这项技术还拥有诸多优点：一是环保，为淘汰氯气再生工艺提供技术源头，在化工生产线上减少碳排放，消除氯气的使用；二是省钱，再生能耗降低，减少设备腐蚀，使得设备寿命延长；三是长寿，实验室测试中连续再生周期延长10倍以上，远超传统催化剂寿命；四是潜力大，为高温抗烧结催化剂设计开辟新路径，有望推广至其他化工领域。
据介绍，该技术的突破性设计思路，或将助力打开多个工业领域的绿色转型大门。
轻烃脱氢家族全面“绿化”。除丙烷外，丁烷、异丁烷等轻烃脱氢制烯烃的工艺也可借鉴该催化剂技术。例如，丁烷脱氢制丁烯（橡胶原料）未来或将告别氯气再生，有望大幅降低轮胎等产业链的污染。
高温工业反应的“救星”。许多化工反应需在高温下进行，催化剂易因烧结失活。该技术中分子筛“锁住”金属颗粒的设计，可推广至甲烷重整制氢、合成气转化等高温过程，延长催化剂寿命。
它的影响远不止于此，从轮胎到制药再到氢能，一场由“自愈”催化剂引发的绿色革命正在酝酿。（记者 梁凯鸿/文 受访者供图）
来源：福州新闻网
