Fe2O3@SiO2氧载体纳米结构化调控助力乙烷化学链氧化脱氢高效制乙烯

为解决乙烷传统裂解制乙烯过程中高能耗、高碳排放及选择性低等问题，西安交通大学团队通过SiO2分散调控Fe2O3氧载体纳米结构，实现晶格氧迁移与表面反应速率的精准匹配，在700°C下单循环乙烷转化率达41.0%，乙烯选择性60.1%，为绿色乙烯生产提供新策略。

　　

随着页岩气开采技术的突破，乙烷作为天然气第二大组分（含量超15%）的高效利用成为研究热点。乙烯作为石化工业基石，目前主要通过能耗极高的乙烷裂解（ECC）和石脑油裂解（NCC）生产，每千克乙烯产生1.0-2.6 kg CO₂当量排放。传统氧化脱氢（ODH）虽能降低反应温度，但存在氧气过度氧化导致CO_x副产物增多、纯氧使用增加安全风险等问题。化学链氧化脱氢（CL-ODH）技术采用可循环固体氧载体替代气态氧，通过晶格氧选择性氧化乙烷生成乙烯和水，既能规避气体氧的安全隐患，又能通过氢的原位燃烧突破热力学平衡限制，模拟显示该技术可降低82%的能耗和碳排放。

西安交通大学的研究团队聚焦铁基氧载体Fe₂O₃在CL-ODH中的应用挑战——晶格氧迁移过快导致表面非选择性氧物种积累，开发了SiO₂分散调控的Fe₂O₃@SiO₂纳米氧载体。通过沉淀法合成材料，采用固定床反应器测试700°C下的反应性能，结合X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和氢气程序升温还原（H₂-TPR）等技术表征材料特性。

氧载体制备与表征
通过共沉淀法将Fe₂O₃纳米颗粒限域在SiO₂基质中，XRD显示SiO₂有效抑制Fe₂O₃晶粒生长，使其平均尺寸从纯相的35 nm降至18 nm。H₂-TPR证实SiO₂修饰使Fe₂O₃的还原峰温度降低47°C，表明晶格氧活性显著提升。

热力学分析与反应性能
热力学计算表明，常压下700°C时乙烷热裂解平衡转化率仅8.2%，而CL-ODH通过移除氢气使理论转化率提升至98%。实验结果显示，Fe₂O₃@SiO₂在单次处理120 mL乙烷时实现41.0%转化率和60.1%乙烯选择性，较未修饰Fe₂O₃分别提高23%和18%。XPS分析表明SiO₂分散减少了表面O^?和O₂^2?等非选择性氧物种的积累。

结论与意义
该研究通过SiO₂介导的纳米限域效应，首次实现Fe₂O₃晶格氧迁移速率与乙烷表面脱氢反应的动态平衡，突破传统氧载体活性与选择性难以兼得的瓶颈。相较于需800°C高温运行的锰基载体和氧容量低的钙钛矿材料，Fe₂O₃@SiO₂在中温条件下兼具高乙烯选择性和合理转化率，其吨级放大实验显示催化剂可稳定循环50次以上。该成果发表于《Fuel》，为乙烷CL-ODH工业化提供了兼具经济性与环境友好性的解决方案，据估算可使每吨乙烯生产成本降低约300美元。