微纳材料设计与制造研究中心

丙烯是我们日常生活中不可或缺的化学原料，广泛应用于塑料、合成纤维等产品的生产。丙烷脱氢制丙烯技术（PDH）由于近88%的高丙烯产率，且副产氢气，被认为是最有潜力和高价值目标的产丙烯路径。然而，这项技术需要在高温条件（>500°C）下反应，面临着一个长期存在的问题：催化剂的“失活”。在高温和长期使用下，催化剂逐渐受丙烷深度脱氢和直接裂解等副反应的影响，被非目标产物（碳氢化合物、芳香烃和石墨碳等焦炭物种）毒化，引起失活。而失活的催化剂无法有效工作，导致反应效率降低，需要频繁更换，增加了生产成本。

针对上述问题，华中科技大学材料学院单斌教授团队与昆明贵金属研究所戴云生研究员和张爱敏研究员合作，提出了一种通过促进焦炭前体的解吸来缓解活性位点失活并增强PtGa亚纳米簇稳定性的策略（图2）。相关成果以“Electron-Driven Self-Recovery of PtGa Bimetallic Sub-Nanoclusters for Enhanced Propane Dehydrogenation Stability”为题发表于国际著名期刊Journal of Catalysis上。

该工作为了解决Pt簇催化剂活性位点在PDH中失活的问题，报告了一种一锅溶胶-凝胶法，优化了支撑在(Ga, Al)₂O₃固溶体上的PtGa双金属亚纳米簇的活性结构。在H溢流的促进下，固溶体中嵌入的Lewis Ga (III)位点有效地分散和稳定了亚纳米团簇。合理的双金属位点结构设计使催化剂在苛刻的PDH反应环境中实现了出色的稳定性，同时保持了较高的内在活性。在0.06 wt%的低Pt负载量下，获得的0.06PtGa/(Ga, Al)₂O₃催化剂样品（原始尺寸为0.82nm）的失活常数为0.014 h^-1，并且在550 °C下连续反应730分钟后Pt颗粒的烧结现场极少（图3）。此外，即使经过多次再生以去除焦炭，Pt和GaO_x之间的相互作用仍然保持不变。Pt和氧化镓物种界面能促进电子转移、稳定铂簇、减少焦炭形成并允许活性位点动态恢复，这对催化剂的效率至关重要。

原位DRIFTS和XPS分析表明，从GaO_x物种到铂的电子转移产生了富电子Pt位点，在抑制焦炭前体过度吸附的同时优化了C-H键的活化。在PDH反应过程中，羟基和M-H键在Pt-O-Ga界面建立了新的动态平衡，实现了活性位点和气体分子之间的吸附-解吸平衡。Pt-Ga^d+位点协同促进了焦炭前驱体的解吸，使催化剂保持了优异的内在活性（图4）。

动力学研究进一步证实了这些表征结果，显示富电子Pt位点显著降低了焦炭覆盖导致的失活（图5）。在本文中，我们证明了金属物种协同作用在抑制活性位点中毒和提高双金属簇催化剂的PDH稳定性方面的关键作用，提出了一种平衡氢辅助脱氢与焦炭前体过度脱氢的新策略。