铂铁双金属/水滑石与硅基杂多酸协同催化苯与丙烷低温直接合成异丙苯

为解决传统异丙苯生产工艺高温能耗高、选择性低的问题，日本研究人员开发了Pt-Fe/HT(水滑石)与HPW/SiO2(硅负载杂多酸)双催化剂体系。在250℃低温条件下实现苯转化率2.0%时异丙苯选择性达91.9%，通过TEM、XAFS等表征证实EG还原法制备的1.3-1.5 nm Pt纳米颗粒与Fe物种协同作用，为低碳烷烃直接芳构化提供了新策略。

　　

在石油化工领域，异丙苯作为苯酚和丙酮的关键前体，传统生产工艺需经历丙烷脱氢制丙烯、再与苯烷基化两段高温反应，存在能耗高、中间体不稳定导致选择性差等瓶颈。尤其当反应温度超过300℃时，丙烯中间体易发生裂解副反应，异丙苯产物也会进一步异构化。如何实现低碳烷烃直接高效转化，成为绿色化学领域的重要挑战。

日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）的Ken Motokura团队在《Catalysis Today》发表研究，创新性地将水滑石(HT)负载的铂铁双金属催化剂(Pt-Fe/HT)与硅基杂多酸(HPW/SiO₂)组成复合体系，在250℃低温下实现苯与丙烷"一步法"合成异丙苯。研究人员采用乙二醇(EG)还原法和硼氢化钠(NaBH₄)还原法制备催化剂，通过透射电镜(TEM)观察到EG法形成的Pt纳米颗粒粒径仅1.3-1.5 nm，X射线吸收精细结构(XAFS)分析显示Pt处于部分氧化状态而Fe以氧化物形态分散。与常规NaBH₄还原法制备的催化剂相比，该体系在保持苯转化率2.0%的同时，将异丙苯选择性提升至91.9%。

关键技术方法包括：1）采用EG/NaBH₄两种还原法制备Pt-Fe/HT催化剂；2）通过TEM、XRD、Pt L₃-edge和Fe K-edge XAFS表征催化剂结构；3）GC-FID分析反应产物分布；4）ICP测定金属负载量。

【Characterizations of the Pt/HT and Pt-Fe/HT催化剂】章节显示，XRD证实HT层状结构完整保留，EG法制备的催化剂未检测到金属Pt衍射峰，表明纳米颗粒高度分散。TEM显示NaBH₄法制备的Pt颗粒尺寸更大且分布不均，而EG法所得催化剂中Pt-Fe纳米颗粒均匀分布在HT表面。

【Conclusion】部分指出，Fe物种的引入有效抑制了Pt迁移团聚，HPW/SiO₂的布朗斯特酸位点与Pt-Fe/HT的脱氢活性协同作用，使反应能在较低温度下进行。该研究突破传统工艺对高温的依赖，为开发"绿色烷基化"工艺提供新思路：1）证实小尺寸Pt纳米颗粒对丙烷低温脱氢的关键作用；2）阐明Fe添加剂通过电子效应稳定Pt活性中心；3）首次实现硅基杂多酸与该双金属催化剂的低温协同催化。

这项工作的创新性在于将多相催化中的金属-酸双功能协同效应推向新高度。正如作者Ken Motokura在【CRediT authorship contribution statement】中强调的，该催化剂体系设计理念可拓展至其他短链烷烃的芳构化反应，对简化现有石油化工流程具有重要启示。日本学术振兴会(JSPS)的资助（项目号JP21H05099和JP25K01578）也反映出该研究在能源转化领域的前沿性。