IrPt双金属催化剂在CO2氧化丙烷脱氢制丙烯反应中的协同效应及Mg-SBA-15载体调控机制研究

为解决传统丙烷脱氢工艺中积碳和过度氧化问题，研究人员通过一锅法水热合成Mg-SBA-15载体，并负载IrPt双金属催化剂，系统研究了Pt部分取代Ir对CO2-ODH反应的影响。结果表明Pt/Ir=1.5的PtIrMg-1.5催化剂展现出最优丙烯产率（35.8%），其协同效应源于PtIr合金形成、酸性位点调控及MgO纳米颗粒的稳定作用，为低碳烯烃绿色生产提供了新策略。

　　

在全球烯烃需求持续增长的背景下，丙烷脱氢制丙烯技术面临两大核心挑战：传统直接脱氢（DDH）反应强吸热导致的能耗过高，以及氧化脱氢（ODH）过程中氧气引发的深度氧化副反应。更棘手的是，积碳问题会快速导致催化剂失活。近年来，以CO₂作为温和氧化剂的ODH工艺（CO₂-ODH）因其能同时消耗温室气体并抑制积碳而备受关注，但现有催化剂在活性和选择性上难以兼得。

针对这一难题，来自墨西哥国立自治大学等机构的研究团队创新性地设计了一系列Mg修饰的介孔SBA-15负载IrPt催化剂，通过精确调控Pt/Ir原子比，成功实现了丙烯高效制备。这项发表于《Microporous and Mesoporous Materials》的研究揭示，Pt/Ir=1.5的催化剂在550℃反应条件下丙烯时空收率达0.61 g·g^-1·h^-1，其性能超越多数文献报道的Cr基和PtSn基催化剂。

研究团队采用一锅法水热合成制备Mg-SBA-15载体，通过初湿浸渍法负载Pt、Ir活性组分，制备了Pt/Ir原子比分别为1.5和4的两种双金属催化剂。借助ICP-OES、XRD、HRTEM、XPS、TPR和吡啶吸附FTIR等多维表征技术，结合固定床反应器性能评价，系统解析了催化剂结构-性能关系。

3.1 化学、晶体学和织构性质
ICP-OES证实MgO负载量稳定在2.9 wt%。N₂吸附显示所有催化剂保持IV型等温线和H2(b)型滞后环，平均孔径6-7 nm。XRD证实PtIrMg-1.5中Pt特征峰消失，暗示Ir促进Pt分散。TPR显示双金属催化剂中Pt²⁺还原峰向低温偏移35℃，表明Ir增强Pt还原性。

3.2 还原态表征
XPS揭示PtIrMg-1.5表面Pt⁰占比达86%，高于单金属PtMg（81%）。HRTEM显示其金属粒径最小（5.6 nm），且EDX mapping证实PtIr合金形成。吡啶吸附FTIR测得该催化剂布朗斯特酸量最低（0.19 μmol/g），Lewis/Bronsted比最高（8.84）。

3.3 催化活性
在650℃反应中，PtIrMg-1.5丙烷转化率（35.8%）显著高于PtMg（23.5%）和IrMg（13.8%），且丙烯选择性保持96.2%。动力学分析显示其表观活化能最低（65.1 kJ/mol）。空间位阻效应和合金形成共同抑制了C-C键断裂，使甲烷选择性较PtMg降低40%。

3.4 构-效关系
研究建立了多重协同机制：MgO纳米颗粒稳定金属分散；PtIr合金优化电子结构，促进C-H键活化；降低的Bronsted酸性抑制积碳；介孔限域效应延缓金属烧结。特别值得注意的是，Lewis/Bronsted酸比与丙烷转化率呈线性正相关（R²>0.95）。

这项研究通过精准设计双金属活性中心和载体酸性，为开发高效CO₂-ODH催化剂提供了新范式。PtIrMg-1.5催化剂在保持近100%丙烯选择性同时，实现了贵金属负载量的大幅降低（Pt仅0.28 wt%），其"一石三鸟"的特性——同时解决积碳、过度氧化和贵金属利用率问题，展现出显著的工业应用潜力。该工作还深化了对金属-酸性协同机制的理解，为其他低碳烷烃转化催化剂设计提供了重要参考。