丙烯是基本的有機(jī)化工原料，傳統(tǒng)丙烯主要來(lái)源于原油餾分裂解等高能耗工藝。受石油儲(chǔ)量限制且隨著頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣資源的開(kāi)發(fā)，丙烷無(wú)氧脫氫（PDH）作為定向生產(chǎn)丙烯的工藝，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸に嚶肪€(xiàn)之一。商業(yè)PDH工藝主要采用Pt基和Cr基催化劑，但其分別存在成本高及環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)多種環(huán)保型非貴金屬催化劑被陸續(xù)研發(fā)報(bào)道，但仍存在活性和選擇性不足的問(wèn)題。作為一種有競(jìng)爭(zhēng)力PDH催化劑，Co基催化劑雖被進(jìn)行了廣泛研究，但其真實(shí)活性位及作用本質(zhì)尚不明晰，限制了其性能進(jìn)一步提升和將來(lái)高效催化劑研發(fā)。
針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姜桂元教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)萊布尼茲催化研究所Evgenii V. Kondratenko教授團(tuán)隊(duì)、焦海軍教授團(tuán)隊(duì)、山西大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所及德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)合作者，在丙烷無(wú)氧脫氫催化劑研究方面取得新進(jìn)展。研究結(jié)果以“Mixed-valence Co0/IIOx clusters on Silicalite-1 facilitate propane dehydrogenation to propene”為題， 于2026年2月23日在《自然催化》(Nature Catalysis) 在線(xiàn)發(fā)表，并被選作3月刊正封面（圖1）。
圖1 Nature Catalysis 3月刊正封面
圖2 Silicalite-1負(fù)載的 CoOx 物種尺寸對(duì)丙烯生成速率及其還原性的影響。
該研究中，研究人員利用分子篩缺陷羥基位點(diǎn)，通過(guò)強(qiáng)靜電吸附策略在純硅分子篩 Silicalite-1上構(gòu)筑了亞納米CoOx 團(tuán)簇物種。系統(tǒng)表征結(jié)果表明，這些 CoOx 團(tuán)簇在 PDH 反應(yīng)條件下可發(fā)生部分還原（圖2），形成由少量金屬態(tài) Co? 原子分布在 Co2? 氧化物團(tuán)簇上的混合價(jià)活性結(jié)構(gòu)，該類(lèi)混合價(jià) Co0/IIOx團(tuán)簇通過(guò)晶格氧與分子篩骨架牢固錨定，在高溫反應(yīng)環(huán)境中保持高度穩(wěn)定。該催化劑在接近平衡轉(zhuǎn)化率條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的丙烯選擇性、生成速率和長(zhǎng)周期穩(wěn)定性，并在多輪反應(yīng)/再生循環(huán)中保持良好耐久性，顯示出潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果表明，該體系在丙烯生產(chǎn)成本方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。本研究不僅構(gòu)建和明確了高效Co基催化劑的活性位及催化作用機(jī)制，還為反應(yīng)條件下有目的設(shè)計(jì)和調(diào)控高效非貴金屬基PDH催化劑提供了基礎(chǔ)。
德國(guó)萊布尼茲催化研究所張啟揚(yáng)博士、中國(guó)石油大學(xué)（北京）李宇明副教授和山西大學(xué)田欣欣副教授為論文第一作者；姜桂元教授、焦海軍教授及 Evgenii V. Kondratenko 教授為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題以及德國(guó)科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-026-01488-w（Nat. Catal. 2026, 9, 269-280）