GaN负载Ga改性MFI分子筛催化剂用于CO2氧化丙烷脱氢制丙烯：酸位调控与性能突破

研究人员针对CO2-ODHP（氧化脱氢）反应中丙烯选择性低的问题，开发了5GaN/[Ga]MFI催化剂。通过调控分子筛Lewis/Br?nsted酸比例，在600°C下实现65%丙烷转化率与72%丙烯选择性，创GaN/分子筛体系最高记录，为CO2资源化利用提供新策略。

　　

随着人工智能和半导体技术的飞速发展，传统化工行业正面临转型升级的迫切需求。作为C3产业链的核心中间体，丙烯的生产长期以来依赖化石能源路线，存在选择性低、能耗高等问题。尽管丙烷直接脱氢（DDHP）工艺已实现工业化，但CO₂氧化丙烷脱氢（CO₂-ODHP）这一新兴路线因其兼具CO₂资源化利用和抑制催化剂积碳的双重优势，被视为更具可持续性的替代方案。然而现有催化剂普遍面临丙烯选择性不足的瓶颈——尤其是GaN/分子筛体系，其丙烯选择性远低于贵金属催化剂，主要归因于Br?nsted酸位点引发的丙烷过度裂解等副反应。

针对这一挑战，陕西科技大学的研究团队在《Molecular Catalysis》发表创新成果。他们设计了一种GaN负载Ga改性MFI分子筛（5GaN/[Ga]MFI）催化剂，通过水热法将Ga原子引入分子筛骨架，显著提升Lewis酸位比例而抑制Br?nsted酸位。实验表明，该催化剂在600°C反应条件下取得突破性性能：丙烷转化率65%、丙烯选择性72%、丙烯收率47%，创下GaN/分子筛体系的最高记录。稳定性测试显示催化剂具备优异的循环再生能力，为工业化应用奠定基础。

研究团队采用多种关键技术手段：通过NH₃-TPD（程序升温脱附）和Py-IR（吡啶红外光谱）定量分析酸位分布；借助XRD（X射线衍射）和N₂吸附-脱附表征材料结构；采用固定床反应器评估催化性能；结合GC-MS（气相色谱-质谱联用）分析产物分布。

材料表征
[Ga]MFI分子筛展现出与[Al]MFI相似的微孔结构（比表面积~400 m²/g），但NH₃-TPD显示其Br?nsted酸量降低37%。Py-IR证实Ga修饰使Lewis/Br?nsted酸比从1.8提升至4.2，这种酸位重构是抑制裂解副反应的关键。

催化性能
对比实验显示，5GaN/[Ga]MFI-100的丙烯选择性较5GaN/[Al]MFI-100提高21个百分点。空速实验证实，降低Br?nsted酸密度可减少甲烷/乙烯副产物（选择性从28%降至14%），而CO₂/C₃H₈摩尔比优化至2:1时丙烯收率达到峰值。

机理分析
原位DRIFTS（漫反射傅里叶变换红外光谱）捕捉到Si-O-GaN-H活性位点，该位点可同步活化丙烷C-H键（2970 cm^-1特征峰）和CO₂的C=O键（2345 cm^-1）。DFT（密度泛函理论）计算表明，Lewis酸位更利于丙烯脱附（能垒降低0.8 eV），而Br?nsted酸位易引发β-断裂（过渡态能垒增加1.2 eV）。

这项研究通过精准调控分子筛酸性质，解决了GaN基催化剂在CO₂-ODHP反应中的选择性瓶颈。Zhong-Yu Wang和Sen-Wang Wang等作者提出的"Lewis酸位主导"设计策略，不仅为非贵金属催化剂开发提供新思路，更推动了CO₂化工与低碳烯烃生产的协同发展。该成果获得国家自然科学基金（22278261）和陕西省教育厅重点项目（21JY005）支持，标志着我国在绿色催化领域取得重要进展。