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为解决丙烯供需缺口问题，研究人员开展丙烷直接脱氢（PDH）负载型金属氧化物催化剂研究。通过浸渍法合成多组催化剂并表征，发现 ZrO?负载近单层 Cr?O?催化剂活性最佳，K 促进后性能提升，优化条件下转化率～30%、收率～27%，为 PDH 工艺提供新方向。
丙烯（C?H?）作为石化工业的核心原料，广泛用于聚丙烯、丙烯腈等生产。随着全球化工产业升级，其需求量从 2019 年的约 1.3 亿吨预计增至 2030 年的 1.91 亿吨。然而，传统蒸汽重整和催化裂化工艺中丙烯并非主产物，页岩气提取丙烷再经裂解的路线又面临能耗高、催化剂结焦失活等难题。在此背景下，丙烷直接脱氢（PDH）技术因其可定向生产丙烯而备受关注，但现有 Pt 或 Cr 基催化剂在高温下易结焦失活，开发高效稳定的新型催化剂成为行业突破的关键。
印度坎普尔理工学院（IIT Kanpur）的研究团队针对这一挑战，开展了负载型金属氧化物催化剂的系统研究。他们通过优化活性组分、载体材料、负载量及助剂配比，开发出性能优异的催化剂体系，相关成果发表在《Applied Catalysis A: General》。该研究为 PDH 工艺的工业化应用提供了重要理论和实验依据，有望缓解丙烯供需矛盾并推动绿色化工技术发展。
研究人员采用初湿浸渍法（incipient wetness impregnation, IWI）合成四组催化剂，主要技术方法包括：通过氮气吸脱附测定比表面积，利用紫外 - 可见光谱（UV-vis）、拉曼光谱（Raman）和氢气程序升温还原（H?-TPR）表征活性物种状态，借助 X 射线光电子能谱（XPS）分析新鲜及失活催化剂的表面元素化学态。实验在 550℃、低丙烷分压条件下进行 PDH 反应，通过改变接触时间（37.33 gcat?h/mol）筛选最优工艺参数。
催化剂活性组分与载体的筛选
首先对比 Cr、V、Fe 三种过渡金属氧化物的活性，发现 Cr2O?在 ZrO?载体上的催化性能显著优于其他体系。进一步考察载体效应时，ZrO?负载的 Cr2O?相较于 Al?O?、CeO?等载体表现出更高的周转频率（turnover frequency, TOF），这可能与 ZrO?表面更强的金属 - 载体相互作用有关。
负载量与单层覆盖效应
研究表明，Cr2O?的负载量对催化活性有决定性影响。当负载量达到近单层覆盖（5.2-6.6 atomCr/nm2）时，催化剂表面可还原的 Cr+6物种含量最高，此时 Cr?O?以高度分散的单层形式存在，仅伴随少量微晶。继续增加负载量会导致微晶长大，活性位点减少。
钾助剂的协同作用
引入钾（K）助剂可进一步提升催化性能。当 Cr/K 摩尔比为 1:0.05 时，可还原 Cr+6物种数量增加，丙烯选择性和收率显著提高。但过量 K（如摩尔比≥0.20）会导致活性位点被覆盖，反应速率下降。这表明 K 通过调节表面电荷状态和酸性位点分布，优化了 Cr 物种的氧化还原循环效率。
反应条件优化
在温度优化实验中，550℃为最佳反应温度：低于此温度时反应速率受限，高于此温度则因结焦加剧导致催化剂快速失活。结合接触时间优化，当接触时间为 37.33 gcat?h/mol 时，K 促进的 ZrO?负载 Cr2O?催化剂实现了～30% 的丙烷转化率和～27% 的丙烯收率，显著优于传统工业催化剂。
失活机制与催化剂稳定性
对失活催化剂的表征显示，高温下积碳主要以石墨化碳形式沉积在 Cr 微晶表面，堵塞活性位点。而近单层负载的催化剂因微晶尺寸小、分散均匀，积碳速率较低，稳定性更优。这一发现为设计抗结焦催化剂提供了新视角。
研究结论与意义
该研究通过系统调控活性组分、载体、负载量及助剂，开发出 ZrO?负载近单层 Cr2O?-K 催化剂，在 PDH 反应中展现出优异的活性和选择性。关键结论包括：单层分散的 Cr+6物种是活性中心，K 助剂通过电子效应增强其可还原性；550℃和特定接触时间为最优工艺条件；载体与活性组分的强相互作用可抑制微晶生长和积碳。该工作不仅揭示了负载型金属氧化物催化剂的构效关系，还为工业化 PDH 工艺提供了低成本、高稳定性的催化体系，有望推动丙烯生产技术向高效、绿色方向升级。此外，研究中建立的多因素协同优化策略，对其他脱氢反应催化剂的开发具有普遍借鉴意义。
