高稳定性PtSn原子簇催化剂的设计制备及催化丙烷脱氢性能研究

Propane dehydrogenation to propene is one of the effective ways to alleviate the contradiction between supply and demand of propylene, and also the research highlights on low alkane catalytic conversion. Based on the importance of Pt-based catalysts in propane dehydrogenation reaction and the problem of coking and sintering deactivation, the catalysts with porous silica sphere supported PtSn cluster and single atom confined in silica framework are prepared, which can inhibit the occurrence of side reaction and improve the catalyst sintering resistance performance. The catalysts with different polymerization degree of PtSn are synthesized by controlling the synthetic method, and the influences of electronic structure and polymerization degree of sites on propane dehydrogenation activity are investigated. Using a variety of in-situ characterization methods, the changes of catalyst structures and the evolution process of reactant molecules in reaction process are recorded under the reaction condition. The relationships of structure, properties and catalytic activity are constructed from the level of molecules and atoms, so as to realize the design and construction of confined atoms and electrons structure and provide the scientific basis for the design of propane dehydrogenation catalyst.

丙烷直接脱氢制丙烯是缓解丙烯供需矛盾的有效途径之一，也是低碳烷烃催化转化的研究热点之一。基于Pt基催化剂在丙烷脱氢反应中的重要性及其易于结焦和烧结失活的问题，本项目拟构建骨架限域的多孔纳米氧化硅负载的PtSn原子簇及单原子催化剂，使单原子Pt限域在氧化硅骨架中，从而有效抑制副反应的发生，并提高催化剂抗烧结性能。通过调控催化剂的制备方法获得不同聚合度的PtSn催化剂，研究活性位电子结构及聚合度对催化剂丙烷脱氢活性的影响规律。借助多种原位表征手段在原位、动态条件下研究反应过程中催化剂的结构变化及反应物分子的物种演变过程，从分子原子水平上构建催化剂活性位结构性质与丙烷脱氢反应性能之间的关系，实现活性位限域原子和电子结构的精准设计与构建，为丙烷脱氢催化剂的设计提供科学依据。

目前，丙烷直接脱氢制丙烯是缓解丙烯供需矛盾的有效途径之一，也是低碳烷烃催化转化的研究热点之一。基于Pt基催化剂在丙烷脱氢反应中的重要性及其易于结焦和烧结失活的问题，本项目通过设计合成DMSN为载体的骨架限域Pt原子簇及单原子催化剂，借助多种原位表征手段在原位、动态条件下研究反应过程中催化剂的结构变化及反应物分子的物种演变过程，从分子原子水平上构建催化剂活性位结构性质与丙烷脱氢反应性能之间的关系，结合量子化学和分子力学方法模拟催化剂表面结构对丙烷脱氢的计算研究，阐述催化剂活性位及表界面上丙烷脱氢反应的物理化学现象，为丙烷脱氢催化剂的设计提供科学依据。本项目在实施期内，主要开展了以下工作：建立了载体骨架限域原子簇Pt/M-DMSN催化剂的制备方法并优化制备条件，确定了制备方法中的关键影响因素；明确了催化剂活性位结构、电子性质与催化性能的构效关系，开发出高稳定性催化剂。因此，该项目顺利实施为进一步设计开发高效天然气转化催化剂提供理论依据，同时具有广阔的应用前景。在项目执行期间，已发表6篇研究论文，申请专利3项，参加国际/国内学术会议4次，联合培养已毕业硕士研究生3名，硕士研究生2名。