近日，中國科學技術大學曾杰教授團隊聯(lián)合電子科技大學李旭研究員在丙烷脫氫反應中的金屬催化劑結構演變方向取得新進展。研究人員制備了一種二氧化硅負載的鉑銦合金團簇催化劑，首次發(fā)現(xiàn)在高濃度的丙烯誘導下，無序的鉑銦合金團簇演變?yōu)殂K銦金屬間化合物，展現(xiàn)出的丙烷脫氫反應活性超越大多數(shù)鉑基催化劑。相關成果以“Reaction-induced dynamic evolution of PtIn/SiO2catalyst for propane dehydrogenation”為題發(fā)表于《自然·通訊》。

在多相催化反應中，催化劑并非一成不變，往往經歷著結構變化。在溫度和氣氛的影響下，催化劑的活性金屬和載體會發(fā)生原子重排、晶面重構等一系列現(xiàn)象，進而導致催化劑性能被顯著改變。揭示催化劑結構演變過程對識別活性位點以及建立構效關系的意義不言而喻。在丙烷脫氫反應中，合金催化劑結構演變的誘因一般被認為是高溫和氫氣，而產物丙烯在催化劑結構演變中所扮演的角色尚不清晰。

研究人員利用溶液相的分步強靜電吸附法在二氧化硅表面依次負載銦和鉑，并經過高溫氫氣還原獲得合金團簇。一系列譜學實驗結果表明，僅有少量銦被還原并與鉑合金化。在所形成的鉑銦合金團簇中，銦更傾向于分布在表面。同時，存在于鉑銦合金與二氧化硅載體之間的氧化銦物種被證明能夠有效抑制鉑銦合金的燒結（圖1）。

圖1 催化劑結構表征

催化測試結果表明，鉑銦合金催化劑在高濃度的丙烷氣氛中顯示出明顯的活化誘導期。催化劑的初始活性雖然很低，但隨著測試時間延長迅速升高，并基本保持穩(wěn)定。該催化劑穩(wěn)定狀態(tài)下的活性超過文獻中絕大多數(shù)鉑基催化劑，并比已報道的鉑銦合金的活性高出一個數(shù)量級。

研究人員通過表征反應后催化劑的結構發(fā)現(xiàn)，在高濃度的丙烯產物誘導下，大量銦物種從催化劑中揮發(fā)并凝固在石英管末端，這導致了活性位點鉑的暴露以及誘導期的出現(xiàn)。鉑銦合金團簇逐漸演變?yōu)槠骄叽鐑H為1.3納米的鉑銦金屬間化合物，超小的尺寸來源于界面處氧化銦物種帶來的抗燒結性能。上述研究強調了催化劑動態(tài)結構演變中催化產物扮演著不可忽視的重要角色，為高性能丙烷脫氫催化劑的理性設計提供了新的視角（圖2）。

圖2 丙烷脫氫反應性能以及反應過程中的催化劑動態(tài)結構演變

該項研究受到科技部、國家自然科學基金委、中國科學院等項目資助。李旭、曾杰為該論文的通訊作者，博士生周濤、特任副研究員嚴涵為論文的共同第一作者。