Ir封装Silicalite-1催化剂在过量甲基环己烷中选择性氢解甲基环戊烷的研究及其在液态有机氢载体系统中的应用

为解决液态有机氢载体(LOHC)系统中甲基环己烷(MCH)异构化为五元环化合物(DMCPs/ECP)导致氢运输效率降低的问题，研究人员开发了Ir封装silicalite-1催化剂，通过分子筛效应实现甲基环戊烷(MCP)在过量MCH中的选择性氢解。该催化剂在200°C下表现出92:1的选择性比，且不易失活，为LOHC系统杂质去除提供了高效解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。液态有机氢载体(LOHC)系统因其高安全性和易运输性成为研究热点，其中甲基环己烷(MCH)-甲苯体系因其优异的热稳定性被视为理想选择。然而，该系统存在一个关键瓶颈：在Pt/Al₂O₃催化剂上，MCH不可避免地会异构化为五元环化合物如二甲基环戊烷(DMCPs)和乙基环戊烷(ECP)，这些副产物的沸点与MCH接近，传统蒸馏分离能耗极高。更棘手的是，这些五元环化合物会降低氢储存效率，严重制约LOHC系统的实际应用。针对这一挑战，日本横滨国立大学的研究团队在《Applied Catalysis A: General》发表了一项创新研究，开发了一种新型Ir封装silicalite-1催化剂，成功实现了在过量MCH存在下对甲基环戊烷(MCP)模型化合物的选择性氢解。

研究团队采用了多项关键技术：水热合成法结合四丙基氢氧化铵(OSDA)制备Irⁿ⁺/silicalite-1；400°C氢气处理实现Ir⁰簇的还原和OSDA去除；CO化学吸附和HAADF-STEM表征Ir粒子尺寸；XPS分析Ir氧化态；N₂吸附测定分子筛性能；固定床反应器评价催化性能。

在结构表征方面，研究人员通过XRD证实了silicalite-1的成功合成，HAADF-STEM显示形成了0.95nm的Ir⁰簇。XPS分析表明400°C氢气处理可将Irⁿ⁺完全还原为Ir⁰。吸附实验显示MCP在10元环孔道中的扩散系数比MCH高两个数量级，这是分子筛效应的关键。

在OSDA去除机制研究中，TG-DTA和¹³C MAS NMR证实了OSDA的成功封装。程序升温反应质谱(TPR-MS)揭示了Ir⁰催化下OSDA的氢解路径，400°C处理即可获得0.15 cm³ g^-1的微孔体积。

催化性能测试显示，Ir⁰/silicalite-1_H₂在200°C下对MCP/MCH混合物(1:9)的MCP转化率达13.8%，而MCH转化率仅0.15%，选择性比高达92:1，远优于Ir/SiO₂(22:1)和Ir/ITQ-1(28:1)。催化剂在185分钟内保持稳定，且可通过400°C氢气处理再生。对ECP的氢解也显示出类似的高选择性。

这项研究的重要意义在于：首次将分子筛效应与金属催化氢解相结合，解决了LOHC系统中五元环杂质去除的难题；开发的Ir⁰/silicalite-1催化剂具有选择性高、稳定性好、易再生等优势；为MCH-甲苯LOHC系统的实际应用提供了关键技术支撑。该工作不仅推动了氢能储存技术的发展，也为其他需要选择性催化的分离过程提供了新思路。