高性能B2O3/SiO2-TiO2催化剂在丙烷氧化脱氢制烯烃中的应用与机制研究

针对丙烷氧化脱氢(ODHP)过程中传统金属氧化物催化剂活性和选择性难以平衡的问题，研究人员通过机械混合煅烧法制备了B2O3/SiO2-TiO2催化剂。该催化剂在620oC下实现60.8%丙烷转化率和70.2%烯烃总选择性，且无需诱导期，通过Ti-O-B桥键稳定活性位点，为工业ODHP技术开发提供了新思路。

　　

烯烃作为基础化工原料的需求持续增长，但传统蒸汽裂解工艺能耗高、碳排放量大。丙烷脱氢(PDH)技术虽已商业化，却受限于热力学平衡和催化剂结焦问题。相比之下，丙烷氧化脱氢(ODHP)通过引入氧气打破平衡限制，具有反应温度低、能耗少的优势。然而现有ODHP催化剂面临两大困境：传统VO_x/Al₂O₃等金属氧化物易导致过度氧化，而新兴的六方氮化硼(h-BN)催化剂虽选择性优异(91%)但转化率不足(14%)。更严峻的是，反应生成的水会引发硼活性组分流失，造成催化剂失活。

中国科学技术大学的研究团队在《Applied Catalysis A: General》发表的研究中，创新性地采用机械混合-煅烧法制备了B₂O₃/SiO₂-TiO₂催化剂。通过固定床反应器评价催化性能，结合FT-IR等表征手段，发现该催化剂在620^oC下可实现60.8%丙烷转化率和70.2%烯烃总选择性，且无需传统硼基催化剂所需的诱导期。研究证实SiO₂-TiO₂复合载体通过形成Ti-O-B键有效锚定硼物种，解决了纯SiO₂载体硼流失严重的问题。

关键技术方法包括：1) 行星式球磨机(QM-3SP2)实现B₂O₃与载体的均匀混合；2) 常压固定床石英反应器进行催化性能评价；3) FT-IR鉴定B-OH和B-O活性位点；4) 通过WHSV(3.53 g_C3H8·gcat^-1·h^-1)优化反应条件。

催化性能
通过调控B₂O₃负载量发现：随硼含量增加，丙烷转化率上升但丙烯选择性下降，乙烯选择性相应提高。最佳配比下获得60.8%转化率和70.2%烯烃总选择性，显著优于文献报道的h-BN体系。

TiO₂锚定硼物种的作用
TiO₂的引入形成Ti-O-B桥键，抑制了B₂O₃与H₂O反应生成可挥发的硼酸。对比实验显示，纯SiO₂载体催化剂因硼流失导致活性快速下降，而含TiO₂样品稳定性显著提升。

结论与意义
该研究通过简易的机械混合法构建了高效稳定的ODHP催化剂体系，突破了传统硼基催化剂低活性(<20%)的瓶颈。载体中TiO₂组分通过化学键合作用固定活性硼物种，解决了水致失活难题。相比需要复杂合成的沸石限域硼或h-BN?In₂O₃复合材料，该方法更利于工业化放大。研究为开发兼具高活性和选择性的ODHP催化剂提供了新范式，对实现低碳烯烃绿色生产具有重要实践价值。