北京交通大學的硼氧氮納米管催化丙烷氧化脫氫技術研究獲進展

近日，北京交通大學的研究團隊通過一種有效的逐步替代策略，成功制備出富含O—O物種的硼氧氮納米管(BONNTs)催化劑，該催化劑在丙烷氧化脫氫(OPDH)反應中表現出高活性、選擇性和穩定性。相關研究成果發表于《美國化學會志》。

傳統丙烯制備方法是由石腦油和液化氣蒸汽裂解，該方法能耗高、丙烯收率低。丙烷脫氫(PDH)和OPDH在熱力學上為放熱反應，具有打破平衡極限、抗焦炭特性等優點，被廣泛關注。

目前，硼基OPDH催化劑可以實現30%～40%的烯烴收率。但OPDH反應過程中通常會出現丙烯過度氧化生成無價值COx的問題，阻礙其工業應用。

氮化硼(BN)作為OPDH的一種高效催化劑，得到廣泛研究。通常含氧硼物種[如BO·，B(OH)xO3-x]被認為是OPDH的活性中心。對于OPDH反應，設計一種具有高活性、選擇性和穩定性的新型活性中心催化劑勢在必行。

該研究團隊以碳納米管(CNTs)為前體，采用漸進替代策略制備BONNTs。能譜映射結果證實B，N，O均勻分布在BONNTs壁上。BONNTs在OPDH反應中表現出高活性，丙烷轉化率隨著溫度升高而增加。525 ℃下，烯烴選擇性可達75.5%，產率為48.6%，丙烷轉化率為64.4%。且BONNTs具有良好的催化穩定性，150 h后丙烷轉化率仍保持在29%以上，烯烴選擇性保持在80.0%以上。

結果表明，在BONNTs中存在B(OH)xO3-x和O—O兩種活性物種。根據產物分析和密度泛函理論(DFT)計算，O—O物種在生成丙烯和乙烯過程中起關鍵作用，在B(OH)xO3-x活性位更傾向于生成丙烯，在O—O物種上經歷一個能壘較低的脫水途徑產生丙烯產物；而乙烯的獲得則主要是通過丙烷的直接裂解和甲基的氧化偶聯(OCM)。

該研究結果可為設計和構建催化劑內部O—O物種、提高OPDH催化活性提供借鑒。