一种用于耦合乙烷脱氢与选择性氢燃烧的双功能复合催化剂研究

推荐 为解决传统乙烯生产能耗高、CO2排放大及碳沉积问题，研究人员开发了一种Cr-HZSM5与Bi2O3-Ce0.4Zr0.6O2复合催化剂，实现低温高效乙烷氧化脱氢。该催化剂在650℃下乙烯选择性达84.1%，稳定性优异，为乙烯绿色生产提供新途径。

　　

论文解读

乙烯作为全球化学工业的核心原料，其生产技术的革新始终是学术界和工业界关注的焦点。传统蒸汽裂解法虽占据主导地位，但其超高温（>800℃）操作条件导致巨大能耗与环境污染。近年来，乙烷氧化脱氢（ODH）因其放热特性备受关注，但爆炸风险与深度氧化问题严重制约了工业化应用。在此背景下，华中科技大学的研究团队创新性地提出了化学循环氧化脱氢（CL-ODH）策略，通过构建双功能复合催化剂系统，成功实现了低温高效乙烷转化。

技术方法
研究团队采用分步合成与物理混合策略构建催化剂体系。首先通过初湿浸渍法制备含3wt%铬的HZSM-5载体（Cr-H），随后将氧化铈锆（Ce_0.4Zr_0.6O₂）负载铋氧化物（Bi₂O₃）形成选择性氢燃烧（SHC）组分（Bi-CZ）。通过XRD、BET等表征手段优化复合比例，最终确定Cr-H与Bi-CZ以1:1质量比复合为最优结构。

研究结果
催化剂性能表征
X射线衍射（XRD）显示Bi-CZ中形成了稳定的Ce-Zr固溶体结构，其晶格氧扩散系数较纯CeO₂提升3倍。H₂-TPR测试证实Bi-CZ在300℃即开始释放氧物种，而Cr-H在500℃才呈现明显还原峰，证明双组分具有显著的温度互补特性。

反应性能评估
在固定床反应器中，Cr-H/BiCZ催化剂于650℃展现出突破性表现：乙烷转化率达43.0%，乙烯选择性高达84.1%，较单一Cr-H催化剂提升19.6%。更值得关注的是，其H₂转化率稳定在71.1%以上，远超CL-ODH系统对氢气完全转化（>70%）的要求。连续36次氧化还原循环测试中，催化剂活性仅衰减4.7%，显著优于文献报道同类材料。

反应机理解析
原位红外（in-situ DRIFTS）与质谱联用技术揭示反应路径：乙烷在Cr-H表面经C-H键活化生成乙烯与氢气，生成的H₂立即被Bi-CZ催化氧化为水。Ce-Zr固溶体作为氧库持续供应晶格氧，抑制了副产物CO_x生成。热重分析表明碳沉积量较传统催化剂降低62%，证实了该体系的自清洁特性。

研究结论与意义
本研究成功构建了首个基于HZSM-5与Ce-Zr固溶体的双功能CL-ODH催化剂系统。通过精准调控氧物种分布与反应微环境，实现了乙烷脱氢与氢气燃烧的时空匹配。该体系不仅突破了传统ODH工艺的高温限制，更通过化学循环机制解决了热力学平衡限制问题。其工业化应用潜力体现在三方面：①能耗降低40%以上；②碳排放减少75%；③设备运行周期延长3倍。该成果为天然气高效利用提供了新思路，对推动低碳化工技术发展具有重要战略意义。