催化学报 ›› 2023, Vol. 48: 164-174.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64402-X

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Sn1Pt单原子合金催化剂在丙烷脱氢反应中的应用

邢亚楠a,b,1, 康磊磊a,1, 马静远d, 蒋齐可a, 苏杨a, 张盛鑫a,b, 徐晓燕a, 李林a, 王爱琴a, 刘智攀c,e, 马思聪c,*(), 刘晓艳a,*(), 张涛a,b   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 中国科学院应用催化科学技术重点实验室, 辽宁大连116023
    b中国科学院大学, 北京100049
    c中国科学院上海有机化学研究所, 有机功能分子合成与自组装化学重点实验室, 上海200032
    d中国科学院上海高等研究院, 上海同步辐射光源, 上海201204
    e复旦大学化学系, 计算物理科学重点实验室, 分子催化与创新材料上海重点实验室, 上海200433
  • 收稿日期:2022-11-27 接受日期:2023-02-03 出版日期:2023-05-18 发布日期:2023-03-15
  • 通讯作者: * 电子信箱: scma@mail.sioc.ac.cn (马思聪), xyliu2003@dicp.ac.cn (刘晓艳).
  • 作者简介:第一联系人:

    1共同第一作者

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22102180);中国科学院洁净能源创新研究院合作基金(DNL202002);辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC2007070);中央高校基本科研业务费专项资金(20720220009)

Sn1Pt single-atom alloy evolved stable PtSn/nano-Al2O3 catalyst for propane dehydrogenation

Yanan Xinga,b,1, Leilei Kanga,1, Jingyuan Mad, Qike Jianga, Yang Sua, Shengxin Zhanga,b, Xiaoyan Xua, Lin Lia, Aiqin Wanga, Zhi-Pan Liuc,e, Sicong Mac,*(), Xiao Yan Liua,*(), Tao Zhanga,b   

  1. aCAS Key Laboratory of Science and Technology on Applied Catalysis, iChEM, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    cKey Laboratory of Synthetic and Self-Assembly Chemistry for Organic Functional Molecules, Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
    dShanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China
    eShanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Key Laboratory of Computational Physical Science, Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433, China
  • Received:2022-11-27 Accepted:2023-02-03 Online:2023-05-18 Published:2023-03-15
  • Contact: * E-mail: scma@mail.sioc.ac.cn (S. Ma), xyliu2003@dicp.ac.cn (X. Y. Liu).
  • About author:First author contact:

    1Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22102180);DNL Cooperation Fund, CAS(DNL202002);Key Research Program of Frontier Sciences, CAS(ZDBS-LY-7012);LiaoNing Revitalization Talents Program(XLYC2007070);Fundamental Research Funds for the Central Universities(20720220009)

摘要:

丙烯是生产聚丙烯、各类丙烷氧化物、丙烯腈的重要化工原料. 近年来, 随着丙烯需求量日益增长, 作为一种专产丙烯的生产方式, 丙烷脱氢(PDH)受到了越来越多的关注. PtSn/Al2O3是一种典型的工业丙烷脱氢催化剂, 其特征是催化活性会随反应时间的推移而下降, 因此需要反复再生以保证丙烯产率. 提高PtSn催化剂的稳定性, 需要明确反应状态下PtSn的催化性能与其结构之间的关系. 然而, Pt和Sn的价态及其相互作用, 对制备方法、预还原条件、载体类型等因素非常敏感, 此外, 从Pt-Sn二元相图来看, 二者在高温(~600 °C)还原性反应气氛下可形成多种合金结构, 因此, PtSn在丙烷脱氢中的活性位结构的认识颇具挑战, 目前文献报道结果仍存在争议.
本文选用商业化的纳米级γ-Al2O3作为载体, 通过利用纳米载体上只能担载有限数量的金属原子和加入过量的第二金属Sn稀释活性金属Pt的方式, 得到高分散的PtSn/nano-Al2O3催化剂. 当Pt和Sn的负载量分别为0.1 wt%和1 wt%时, 其初始丙烯产率可达到47.6 molC3H6 gPt-1 h-1, 高于文献已报道的PtSn双金属催化剂, 该催化剂经3-10 h活性快速下降期(kd-3h: 0.11 h-1)后, 表现出较好的稳定性(kd-10~40h: 0.0026 h-1). 球差电镜(AC-HAADF-STEM)表征结果显示, 该催化剂经500 °C焙烧后, Pt及Sn在Al2O3载体上均呈单原子分散状态; 经600 °C氢气还原后, Pt团聚为平均直径约0.85 nm的纳米颗粒; 通过对其进行能谱点扫分析, 发现Pt纳米颗粒上分布有少量的Sn原子, 而剩余大量的Sn原子则继续以单原子形式分布在载体上. 进一步原位X射线光电子能谱和原位X射线吸收能谱结果证明, 该催化剂中纳米颗粒的具体组成为Sn单原子分散在Pt纳米颗粒表面, 形成Sn1Pt表面单原子合金结构. 密度泛函理论理论计算证明了Sn1Pt表面单原子合金结构的稳定性及其在丙烷脱氢中的高活性. 最后结合原位CO吸附的漫反射红外光谱等表征, 揭示了催化剂反应初期活性下降及后期高稳定性的内在原因: 催化剂经还原后形成了高活性的Sn1Pt表面单原子合金结构, 在反应过程中, 该结构演变为纯相Pt3Sn金属间化合物, 其与周围呈单分散的SnOx物种协同作用, 抑制和转移在活性中心上的积碳, 进而实现了高稳定性. 这种通过单原子表面合金演变得到的Pt3Sn金属间化合物, 与传统Pt与Pt3Sn等金属化合物混相共存的工业催化剂相比, 可以避免丙烯在催化剂表面单金属Pt平台位点上的深度脱氢和积碳, 进而提高了催化剂稳定性. 综上, 本文从原子水平上为PDH反应中PtSn/Al2O3催化剂的活性位结构及其演化过程提供了新的见解, 并为工业催化剂的设计制备提供了理论参考.

关键词: 丙烷脱氢, 丙烯, Pt-Sn催化剂, 结构重构, 单原子合金

Abstract:

The PtSn/Al2O3 is a prototypical industrial catalyst for propane dehydrogenation (PDH). However, the local structures of the active sites are still inconclusive under the operation conditions. Herein, the evolutions of the Pt-Sn active centers supported on nano-Al2O3 are definitely discerned at the atomic level during PDH reaction. By combining complementary in situ characterizations and theoretical calculations, we demonstrate that a highly productive Sn1Pt single-atom alloy (47.6 molC3H6 gPt-1 h-1) forms after the reduction, and thereby self-assembles to the Pt3Sn intermetallic compound during the reaction, which exhibits a rather stable performance (kd-10~40h: 0.0026 h-1). Intriguingly, the results of in situ diffuse reflectance infrared Fourier-transform spectroscopy further corroborate that the adjacent Pt atoms with terrace sites aggravating the coke deposition can be circumvented through this single-atom alloy mediated reconstruction. Our findings depict an unprecedented evolution process of the active sites of the PtSn/Al2O3, and afford an effectual nanostructure engineering pathway for stable PDH catalysts.

Key words: Propane dehydrogenation, Propylene, Pt-Sn catalyst, Reconstruction, Single-atom alloy