近日，趙學(xué)波教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在具有工業(yè)應(yīng)用前景的丙烷氧化脫氫制丙烯高效催化劑研究方面取得新成果。相關(guān)科研成果《含硼金屬有機(jī)框架化合物衍生的球形超結(jié)構(gòu)氮化硼納米片》（A Spherical Superstructure of Boron Nitride Nanosheets Derived from Boron-Contained Metal-Organic Frameworks）在國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)表。文章第一作者是趙教授博士研究生曹磊，通訊作者是趙學(xué)波教授和代鵬程副教授。
丙烯是極為重要的基礎(chǔ)有機(jī)原料，可用以生產(chǎn)多種重要有機(jī)化工原料，在建筑、汽車、包裝紡織等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來隨著丙烯下游產(chǎn)業(yè)鏈的迅速增加，傳統(tǒng)的丙烯來源已無法滿足市場的需求，因而亟需開發(fā)新的丙烯來源。丙烷氧化脫氫制丙烯有丙烷轉(zhuǎn)化率高、能耗低和無積碳等優(yōu)勢，是極具工業(yè)應(yīng)用前景的反應(yīng)。但是由于產(chǎn)物丙烯容易發(fā)生過度氧化，降低了目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性，從而讓丙烷氧化脫氫工藝一直無法達(dá)到工業(yè)化要求。因此，開發(fā)一種高效催化劑，抑制過度氧化，提升產(chǎn)物中丙烯的選擇性是推動丙烷氧化脫氫發(fā)展最直接有效的手段。
氮化硼是目前為止烯烴選擇性最高的丙烷氧化脫氫催化劑，但是單程烯烴收率離工業(yè)化需求仍有一定差距。通過可控合成提高活性物種在氮化硼表面的含量和分散度是一種有效提升催化性能的途徑。構(gòu)建分層的三維結(jié)構(gòu)，尤其是基于二維氮化硼納米片為基本單元的球狀三維結(jié)構(gòu)，有助于提高邊緣活性物種的含量。除豐富的邊緣活性位點(diǎn)外，特殊的三維球狀結(jié)構(gòu)促使反應(yīng)混合氣沿著球面進(jìn)行有效地?cái)U(kuò)散并充分與活性位接觸，提高催化劑的催化活性。然而迄今為止，如何控制氮化硼納米片自組裝形成三維球狀超結(jié)構(gòu)仍是一個充滿挑戰(zhàn)性的工作。
針對上述問題，曹磊、代鵬程、趙學(xué)波以金屬有機(jī)框架化合物（MOFs）為前驅(qū)體，通過溶劑熱轉(zhuǎn)換的方式制備了三維球形超結(jié)構(gòu)MOFs納米片（SS-MOFNSs），并進(jìn)一步以SS-MOFNSs為自犧牲模板，制備了球形超結(jié)構(gòu)氮化硼納米片（SS-BNNSs）催化劑。
MOFs衍生三維球形超結(jié)構(gòu)氮化硼納米片示意圖
SS-BNNSs在丙烷氧化脫氫反應(yīng)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能，510 oC的操作溫度下，產(chǎn)物中烯烴的收率達(dá)到40.2%（丙烯，27.8%；乙烯，12.4%），遠(yuǎn)超商業(yè)化的氮化硼納米片（丙烯，23.8%；乙烯，8.6%）和高比表面積的氮化硼纖維（丙烯，20.7%；乙烯，10.2%）。通過系統(tǒng)的表征可以發(fā)現(xiàn)，SS-BNNSs表面富含B-OH，讓催化劑無須活化就可以直接催化反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢提高了活性物種的分散度，利于反應(yīng)氣與活性位點(diǎn)快速接觸和產(chǎn)物丙烯的迅速脫附，提升了產(chǎn)物丙烯的單程收率。SS-BNNSs自組裝的構(gòu)造過程和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢帶來的性能提升拓寬了催化劑的設(shè)計(jì)思路。
SS-BNNSs催化丙烷氧化脫氫性能
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01023