研究背景
硼基催化劑在丙烷氧化脫氫（ODHP）反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的烯烴選擇性。
由于亞表面Ni助劑的引入顯著提高了活性，該基底材料應(yīng)是調(diào)控硼基催化劑性能的潛在平臺(tái)。
基于此，2024年11月21日，浙江工業(yè)大學(xué)林麗利教授、浙江大學(xué)姚思宇博士、北京大學(xué)馬丁教授和西湖大學(xué)王濤博士團(tuán)隊(duì)在國際期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)表題為《Performance Descriptor of Subsurface Metal-Promoted Boron Catalysts for Low-Temperature Propane Oxidative Dehydrogenation to Propylene》的研究論文。團(tuán)隊(duì)成員高曉峰、蔡城、田樞衡為論文共同第一作者
林麗利，浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)與工程學(xué)院教授。2019年至今擔(dān)任浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授。研究方向?yàn)榇細(xì)渚G色能源催化，光催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，CO2加氫。主要從事低溫高效CO2加氫、重整制氫、原位取氫-高選擇性加氫制備高值化學(xué)品的多相催化劑設(shè)計(jì)、催化機(jī)理和構(gòu)效關(guān)系研究，發(fā)表論文50余篇，總引用超6000余次，以第一或（共同）通訊作者身份在Nature、Nature Nanotechnology、Nature Chemical Engineering、Nature Communications、 Journal of the American Chemical Society等期刊發(fā)表論文20余篇，國際（美國、日本）/國內(nèi)授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)。
姚思宇，百人計(jì)劃研究員 | 博士生導(dǎo)師， 獲2019年國家高層次人才計(jì)劃青年項(xiàng)目，浙江省自然科學(xué)基金杰出青年基金資助。研究圍繞化學(xué)工程中能源和環(huán)境催化問題，著力于探索小分子活化轉(zhuǎn)化至高附加值化學(xué)品的相關(guān)多相催化過程。近五年發(fā)表SCI論文80余篇，第一/通訊作者發(fā)表論文30余篇包括Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal等。
馬丁，北京大學(xué)教授，長江學(xué)者特聘教授，萬人計(jì)劃創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家杰青。1996年本科畢業(yè)于四川大學(xué)，2001年在中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所取得博士學(xué)位。2001-2005年在牛津大學(xué)/Bristol大學(xué)從事博士后研究，2005年加入中科院大連化學(xué)物理研究所，2009年至今擔(dān)任北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究員/教授。
王濤，2015年博士畢業(yè)于德國萊布尼茨催化所，師從焦海軍教授和德國科學(xué)院院士Matthias Beller教授。2020年10月加入西湖大學(xué)理學(xué)院、人工光合作用與太陽能燃料中心，組建理論催化與材料智能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，任特聘研究員（獨(dú)立PI / 博士生導(dǎo)師）。入選國家級(jí)、省級(jí)和市級(jí)人才計(jì)劃。在國際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文80余篇，其中第一和通訊作者論文60余篇，包括Nat. Catal., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., JACS Au, Nat. Comput. Sci., ACS Catal.等?，F(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，作為課題骨干參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。
成果簡介
在本研究中，研究人員通過評(píng)估不同的金屬助劑，揭示了基底效應(yīng)，并確定了一個(gè)性能描述符，以理解BOx/金屬/BN ODHP催化劑中亞表面材料的作用。 性能評(píng)價(jià)和瞬態(tài)紅外光譜實(shí)驗(yàn)表明，金屬改性BOx頂層上O-H鍵的解離/再生的內(nèi)在活性和動(dòng)力學(xué)行為依賴于金屬基底。 結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算，發(fā)現(xiàn)BOx(OH)???活性物種中O-H鍵的解離/再生傾向受H對(duì)硼氧化物物種親和力的控制。 金屬-O結(jié)合能已被證明與H親和力呈線性相關(guān)，可以作為低溫自由基初始化和ODHP反應(yīng)的簡單性能描述符，揭示該反應(yīng)受Sabatier原理控制，適度的金屬-O結(jié)合能對(duì)于實(shí)現(xiàn)BOx/M/BN催化劑的卓越性能至關(guān)重要。 根據(jù)潛在描述符的指導(dǎo)，研究了Ni-Rh合金基材，發(fā)現(xiàn)Ni/Rh摩爾比為15: 1的基底顯著提高了低溫下的內(nèi)在活性。
圖文解讀
圖1：平臺(tái)BOx/M/BN催化劑的合成與表征
圖2：BOx/M/BN催化劑在丙烷氧化脫氫反應(yīng)中的催化性能
圖3：BOx/M/BN催化劑上ODHP反應(yīng)自由基初始化微觀步驟的原位漂移研究
圖4：解讀亞表面金屬納米粒子在LT-ODHP反應(yīng)中的促進(jìn)作用
圖5：基于金屬-氧結(jié)合能描述的丙烷低溫氧化脫氫催化劑的開發(fā)
總之，通過研究發(fā)現(xiàn)，金屬-O結(jié)合能與H親和力呈線性相關(guān)，可以作為低溫自由基初始化和丙烷氧化脫氫（ODHP）反應(yīng)的簡單性能描述符。
這揭示了該反應(yīng)受Sabatier原理控制，適度的金屬-O結(jié)合能對(duì)于實(shí)現(xiàn)BOx/M/BN催化劑的卓越性能至關(guān)重要。
文獻(xiàn)信息
Performance Descriptor of Subsurface Metal-Promoted Boron Catalysts for Low-Temperature Propane Oxidative Dehydrogenation to Propylene, Journal of the American Chemical Society, 2024.
