CO2助力丙烷转化：Cr、Ga 掺杂 PtCe/Al2O3催化剂的神奇魔力

为解决传统丙烷脱氢制轻烯烃过程存在的问题，研究人员开展了 CO2存在下 Cr、Ga 掺杂 PtCe/Al2O3催化剂对丙烷转化影响的研究。结果表明，CO2可提升催化剂稳定性，不同催化剂性能有差异。该研究为优化丙烷转化工艺提供参考。

　　在化工领域，获取基础分子的可持续工艺一直是科学界的重要研究方向。像乙烯和丙烯这类轻质烯烃，是生产高价值工业产品的基石。目前，它们主要由不可再生的化石燃料，通过流化裂化和蒸汽裂解等传统工艺共制得。然而，随着全球对环保和可持续发展的关注度不断提高，这些传统工艺面临诸多挑战。

传统的烷烃脱氢工艺，尤其是丙烷脱氢，受到热力学限制，直接脱氢的转化率和选择性不理想。为了突破这些限制，人们开始探索新的反应路径。氧化脱氢工艺使用氧气作为氧化剂，虽然能降低反应温度且无热力学限制，但烃分子深度氧化会生成 CO_x，导致目标产物的选择性和收率较低，最高仅 40%。

为了克服这些缺点，温和氧化剂如 CO₂和 N₂O 进入了研究人员的视野。其中，CO₂因其能实现温室气体资源化利用而备受关注。但目前，基于 CO₂的丙烷转化工艺在工业应用中仍面临难题，比如对反应机制了解不足，难以优化转化和产率，还容易出现催化剂失活和副反应等问题。

在此背景下，国外研究人员开展了一项针对丙烷转化的研究。他们合成了一系列含 Cr 或 Ga 掺杂的 Pt - CeO₂负载在氧化铝上的催化剂（PCA、Cr - PCA 和 Ga - PCA），通过初湿浸渍法制备，并在丙烷转化过程中，研究有无 CO₂时催化剂的性能。该研究成果发表在《Catalysis Today》上。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。通过 N₂吸附 - 脱附等温线（用于分析催化剂的孔隙结构和比表面积）和高分辨透射电子显微镜（HR - TEM，观察金属纳米颗粒的分散和粒径）对新鲜和使用后的催化剂进行表征；利用 X 射线光电子能谱（XPS）分析催化剂表面元素的化学状态；采用拉曼光谱（Raman）、热重分析（DTG）研究反应后催化剂的积碳情况 。

新鲜催化剂表征

研究人员对新鲜催化剂进行表征，N₂吸附 - 脱附等温线显示，其对应等温线属于 IUPAC 分类中的 IV 型，这是介孔材料的特征。滞后回线为 H2 (b) 型，也可认为是 H4 型，这种形状表明催化剂具有特定的孔隙结构特征。

CO₂对催化剂稳定性和活性的影响

研究发现，在反应介质中存在 CO₂时，所有催化剂的稳定性都有所增强，尽管催化活性有所降低。这表明 CO₂在一定程度上对催化剂起到了保护作用，延缓了其失活速度，但也影响了反应的进行速率。

CO₂对产物选择性的影响

在没有 CO₂的情况下，所有催化剂对丙烯的选择性更高，这意味着丙烷直接脱氢是主要反应路径。而当有 CO₂存在时，CO₂辅助丙烷裂解生成乙烯的反应更占优势，且对其他产物（如甲烷）的选择性最低。这说明 CO₂的加入改变了反应的选择性，使反应更倾向于生成乙烯。

催化剂组成对性能的影响

从催化剂组成来看，Cr - PCA 催化剂无论是在有无 CO₂的情况下，活性都是最高的。XPS 分析表明，这得益于其弱酸性以及 Cr^{3 +}和 Cr^{6 +}氧化还原物种的共存。而 Ga - PCA 催化剂对丙烯的选择性更高，这说明较弱到中等强度的酸性以及低配位 Ga^{3 +}物种的形成，有利于 CO₂氧化脱氢（ODH）过程。

催化剂失活原因分析

通过拉曼光谱、热重分析和 XPS 分析反应后的催化剂发现，催化剂失活主要是由于催化剂表面形成了无定形和石墨化的积碳。这些积碳覆盖了催化剂的活性位点，阻碍了反应的进行，导致催化剂性能下降。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：不同掺杂的 PtCe/Al₂O₃催化剂在丙烷转化过程中，受 CO₂存在与否的影响，在稳定性、催化活性和选择性方面表现出不同的特性。Cr - PCA 催化剂活性高，Ga - PCA 催化剂对丙烯选择性好，且 CO₂虽降低活性但提升了稳定性。同时，明确了催化剂失活的主要原因是积碳。

这项研究的意义重大，它为深入理解 CO₂存在下丙烷转化反应机制提供了理论依据，有助于指导开发更高效、稳定的丙烷转化催化剂，推动基于 CO₂的丙烷转化工艺的工业化应用，对于实现温室气体资源化利用和化工行业的可持续发展具有重要价值。