Joule：浙江大学／上海科技大学团队制备“多米诺”催化剂实现高乙烷转化率和乙烯
原创 Cell Press CellPress细胞科学
物质科学
Physical science
2023年4月12日，浙江大学/上海科技大学团队在Cell Press细胞出版社期刊Joule上发表了一篇题为“Domino catalysis for selective dehydrogenation of ethane with shifted thermodynamic equilibrium”的最新论文。研究团队通过将CoS-1脱氢催化剂与MnOx@Na2WO4氧化物交错排列，设计“多米诺”反应过程在温和的反应温度下（590摄氏度）同时获得较高的乙烷转化率和乙烯选择性。
研究亮点
本研究提出Domino催化剂用于提升乙烷无氧脱氢反应中乙烷的单程转化率。
Domino催化剂由数个堆叠的CoS-1分子筛层和MnOx@Na2WO4氧化物层组成。
MnOx@Na2WO4可以选择燃烧氢气、避免乙烯的过氧化，拉动反应平衡。
该设计在590度下实现高乙烷转化率和高乙烯选择性，在反复脱氢-再生循环中未见失活。
研究简介
乙烯是现代化学工业的重要原料，当前乙烯的生产主要依赖石脑油裂解。鉴于乙烷在页岩气中广泛存在，从乙烷到乙烯的催化脱氢过程目前在非石油路线生产乙烯中有广泛的前景。然而，乙烷无氧脱氢制乙烯受到热力学平衡限制，需要极高的反应温度才能获得较为可观的单程转化率。氧化脱氢可以克服该限制，但是易发生过氧化导致乙烯选择性不足。本研究通过将CoS-1脱氢催化剂与MnOx@Na2WO4氧化物交错排列，设计“多米诺”反应过程在温和的反应温度下（590摄氏度）同时获得较高的乙烷转化率和乙烯选择性。在该过程中，乙烷的无氧脱氢和选择性烧氢交替发生，从而推动反应平衡，在明显提升乙烷转化率的同时维持了较高的乙烯选择性。
图1 乙烷分子(黄圈)穿过CoS-1分子筛和MnOx@Na2WO4氧化物的交错层，产生乙烯分子(蓝圈)。在本课题中，研究团队开发了钴硅酸盐沸石作为乙烷脱氢催化剂，钨酸钠修饰的氧化锰作为选择性氢燃烧的助剂，实现了高效反应过程。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者王亮研究员进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
乙烯在国民经济中具有重要的地位，它的产量已成为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。本文中所用的制备乙烯的方法是乙烷的催化脱氢，请您与我们分享一下这种方法相对于传统方法有什么优势，又面临着什么挑战呢？
王亮研究员：
目前乙烯的主要来源是石脑油蒸汽裂解。通过低碳烷烃脱氢过程，有望实现页岩气直接生产乙烯过程，具有重要的研究价值。当前乙烷制乙烯过程多依赖高温蒸汽裂解，与之相比，催化脱氢具有装置小、效率高、温度低的优势。但是无氧条件下的乙烷脱氢受到热力学反应平衡限制，单程转化率较低，导致物料循环时乙烯的分离能耗高。我们通过设计“多米诺”的串联反应过程，选择性地烧除氢气，大幅提升了乙烷的单程转化率，同时还保障了优异的乙烯选择，优化脱氢的能耗。该研究证明了“多米诺”式的反应过程在提升转化率方面的有效性，但是仅仅是一个开始，性能的进一步优化、催化剂对原料气杂质的耐受性等都是未来需要研究和克服的问题。
CellPress：
在本文中，研究团队精妙地设计了催化剂组合来将脱氢和氢燃烧反应分开，相比于其他催化剂，这种催化剂设计具有哪些独特优势呢？
王亮研究员：
乙烷无氧脱氢制乙烯受到热力学限制，我们设计的这种催化剂可以在无氧脱氢达到热力学平衡后，通过氧化物助剂烧除部分氢气，然后在接下来的床层上可以继续脱氢，从而移动反应平衡。如此反复，可明显提高乙烷转化率。这其中的关键是要采用高效的CoS-1分子筛和MnOx@Na2WO4氧化物复合，前者可以高效地催化乙烷无氧脱氢、后者可以选择烧除氢气而不会过氧化乙烯。更为重要的是，二者均具有非常优异的热稳定性，可以在反复的脱氢-氧化气氛切换中保持稳定。
CellPress：
您是如何想到这种催化剂的设计理念的？这对其他催化体系的设计是不是也有借鉴作用？
王亮研究员：
就像标题里起的“Domino”催化剂，就是借鉴了多米诺骨牌的方式，通过交叉堆叠催化剂和助剂，可以达到更高的转化效率。对于受到热力学平衡严重限制的反应，我们相信只要找到合适的组合，在维持高选择性的同时可以实现更高的单程转化率。
CellPress：
未来研究团队是否将会对当前的研究进行拓展，计划从哪些方面来开展呢？
王亮研究员：
与乙烷相比，甲烷的高效利用更具挑战性。我们希望能够通过这种方法来提升甲烷转化的效率，这也是当前我们实验室重点研究的方向之一。
CellPress：
我们可以看到，由于有效的催化剂设计，乙烷的转化率和乙烯的选择性都得到了很大的提高，这种催化剂的应用前景如何，在应用推广过程中会遇到哪些障碍呢？
王亮研究员：
在当前工业脱氢过程中，反复脱氢-氧化的循环操作已经广泛使用，典型如Lummus公司的Catofin丙烷脱氢制丙烯工艺。真正的应用推广需要考虑很多在实验室研究中没有涉及的因素，例如对原料气中杂质的耐受性、更长时间内的催化寿命等、多米诺床层内的温差控制、与上下游原料/产品及现有工艺过程的匹配。更为重要的还是成本考虑，需要与现有过程做综合的对比和考量，这都非常具有挑战性。
CellPress：
Joule一直致力于作为学术界和工业界的桥梁，推动技术的转化与应用。您的工作非常贴近实际应用，您在选择期刊的时候是否将这个作为考量因素？
王亮研究员：
Joule作为Cell的姊妹刊，以专业性和影响力广泛吸引了来自全球的研究者。而用基础研究中发展的方法解决工业过程中的实际问题一直是科学界的核心目标之一。通过发表在Joule，研究成果不仅能够吸引学术界的关注，还可以引起工业界的兴趣，这将有助于提高研究的影响力，促进基础研究中的方法和策略能够为实际过程中的问题提供潜在的解决方案；并且不同领域的交叉有助于激发创新思维，这将为我们的研究带来新的视角和思路。
相关论文信息
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▌论文标题：
Domino catalysis for selective dehydrogenation of ethane with shifted thermodynamic equilibrium
▌论文网址：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00116-2
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.03.004
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