沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室催化材料研究部研究員蘇黨生、張建及博士王銳，與德國FritzHaber研究所、中科院長春應用化學研究所、克羅地亞研究人員合作，借助在納米金剛石表面上高度彎曲的氧摻雜石墨烯活性結構，在無氧、無水蒸氣保護的低溫條件下實現(xiàn)了乙苯直接脫氫制取苯乙烯，其催化活性大約為工業(yè)氧化鐵催化劑的3倍，反應過程中沒有積碳產生且納米金剛石催化劑表面保持清潔，在乙苯脫氫工業(yè)領域具有良好的應用前景。日前，這一研究成果以快訊形式在線發(fā)表在國際學術期刊《德國應用化學》上。
據(jù)介紹，苯乙烯是生產塑料和合成橡膠的重要基本有機原料。乙苯催化脫氫法是目前國內外工業(yè)生產苯乙烯的主要方法。
從烷烴直接脫氫工藝，工業(yè)使用的催化劑以金屬及其氧化物為活性成分，反應物烷烴分子在活化的同時也不可避免地形成碳沉積物，隨著反應的進行，催化劑的比表面積、孔體積和活性中心數(shù)目將逐漸下降，最終導致催化劑活性流失。因此，積碳一直是困擾烷烴轉化工業(yè)生產的關鍵問題。傳統(tǒng)方法是添加堿金屬、稀土金屬氧化物等助劑適當延緩失活過程，或者引入大量水蒸氣進行原位消碳以保護活性中心，由此導致能耗大量增加，經濟上不合理。隨著化石資源的日益枯竭和環(huán)境保護意識逐漸完善，迫切要求開發(fā)新一代節(jié)能、清潔、高效的烷烴脫氫催化材料。
納米碳材料一般是由氣相沉積、弧光放電、激光燒蝕等劇烈過程制取，含有大量的空位、間隙原子、線缺陷、邊界等結構缺陷。此外，當石墨結構在某一維度的尺寸小到幾個納米時，為了達到結構穩(wěn)定會自然發(fā)生彎曲，導致石墨層內自由電子的局域化分布，進而提高部分結構缺陷的化學活性。經過簡單的表面修飾后，納米碳表面將被修飾上含氧、氮等雜原子的飽和及非飽和官能團，進而具備一定的酸堿性質和氧化還原能力。
研究人員發(fā)現(xiàn)，納米金剛石的碳原子并非完全的sp3雜化，表面碳原子在較大的表面曲率作用下發(fā)生部分石墨化，形成了獨特的“金剛石—石墨烯”的核殼納米結構。研究人員進一步使用同步輻射X射線光電子能譜考察了表面石墨烯結構的化學組成，發(fā)現(xiàn)氧原子含量在300℃時高達5.2%，主要為飽和醚氧物種（C-O）和不飽和酮羰基氧物種（C=O），后者即使在500℃時依然能夠穩(wěn)定存在。
這項研究工作采取在無水蒸氣保護的乙苯直接脫氫反應條件下，考察了納米金剛石和典型工業(yè)氧化鐵催化劑的活性和穩(wěn)定性。結果表明，反應開始5小時后，氧化鐵催化劑上轉化率由20.2%迅速降低至7.1%，而納米金剛石上轉化率則在120小時內高于20.5%，苯乙烯選擇性高達97.3%。反應后，氧化鐵上發(fā)生嚴重積碳，其活性表面已被無序碳包裹；而納米金剛石的表面結構則沒有明顯變化。研究人員使用原位紅外光譜和原位近常壓X射線光電子能譜深入研究了非金屬催化機理和誘導期內的活性降低原因，直接驗證了不飽和酮羰基氧物種在直接脫氫反應中的決定性作用。乙苯分子中的苯環(huán)結構不發(fā)生吸附，飽和支鏈中C-H鍵的氫原子吸附在酮羰基氧上，并形成了一定數(shù)量的類取代芳香醇過渡中間體結構。在反應開始的誘導期內，酮羰基氧活性物種逐漸被氫原子飽和，活性位數(shù)量的下降導致了活性的部分損失，使用空氣在較低溫度下對催化劑進行處理即可恢復初始活性。
這項研究首次使用了非金屬材料催化直接脫氫反應，并利用先進的原位表征手段在非金屬催化反應機理、活性位結構和反應中間體等關鍵科學問題上取得重要突破，為非金屬催化方向的深入發(fā)展和乙苯脫氫傳統(tǒng)產業(yè)的技術升級提供了重要參考。該研究獲得金屬研究所引進優(yōu)秀學者項目、國家自然科學基金委創(chuàng)新群體項目的部分支持。
