负载沸石的铱单原子催化剂：实现高效稳定的丙烷脱氢反应

《Journal of the American Chemical Society》：Zeolite-Encapsulated Ir Single Atom Catalysts Toward Efficient and Stable Propane Dehydrogenation

单原子铱催化剂IrGe@S-1通过Ge取代S-1沸石实现热稳定，在600℃丙烷脱氢中产率达1249.2 mol/g Ir·h?1，800小时稳定性下可年产9000吨丙烯。Ge促进Ir 5d与O 2p轨道重叠形成Ir-O-Ge键，低氧化态铱单原子降低反应能垒并抑制副反应。

　　

具有最大化金属利用率和多功能电子态工程的单原子贵金属催化剂在异相催化中展现出巨大潜力。然而，由于烧结引起的热力学不稳定，这些催化剂在苛刻反应条件下的应用受到显著限制。本文报道了一种将热稳定的铱（Ir）单原子封装在掺锗的S-1沸石中的催化剂——即IrGe@S-1催化剂，用于直接催化丙烷脱氢反应。优化后的IrGe@S-1催化剂在600°C时表现出前所未有的丙烷脱氢活性，丙烯生成速率达到了1249.2 mol_C3H6 g_Ir^–1 h^–1。此外，该催化剂在高达20 h^–1的重量 hourly 空速（580°C下纯丙烷进料）下仍能保持优异的稳定性，表明使用1吨IrGe@S-1催化剂可生产9000吨丙烯而无需再生。掺入锗元素促进了铱（Ir）的5d轨道与氧（O）的2p轨道之间的重叠，从而通过Ir–O–Ge键增强了它们之间的相互作用，形成了单原子铱催化剂。在丙烷脱氢过程中，丙烷分子能够促使沸石骨架中的氧原子解离，并形成低氧化态的单原子铱。富含电子的单原子铱显著降低了丙烷脱氢反应的速率决定步骤的能量障碍，而孤立的单原子铱位点有效抑制了过度脱氢的副反应，共同贡献了其卓越的性能。这项工作为在苛刻反应条件下使用稳定的单原子贵金属催化剂提供了成功的范例。