亚纳米级PtFe团簇的电荷态异质性突破丙烷脱氢比例关系制约

《Nature Communications》：Charge heterogenized PtFe clusters defy activity–selectivity trade-offs in propane dehydrogenation

　　

摘要

丙烷脱氢是一种关键的工业反应，但其效率从根本上受到丙烷活化与丙烯脱附之间持续存在的比例关系（scaling relation）的制约。本文通过在二氧化硅载体上刻意构建亚纳米级PtFe团簇的电荷态异质性，突破了这一制约。借助Pt–Fe合金效应与Pt–O–Fe界面键合的协同作用，我们在单一催化集合体内同时稳定了富电子位点（Pt^δ?）和缺电子位点（Pt^δ+）。这一结构设计使催化剂在反应条件下实现了卓越的催化性能，即在近平衡转化率（600 °C时约60%）下达到了约99%的丙烯选择性，且Pt负载量极低（0.1 wt%）。机理研究表明，Pt^δ?位点通过吸电子效应降低σ键电子密度，从而促进C–H键断裂；而相邻的Pt^δ+位点则通过调控d–π轨道相互作用来促进丙烯脱附。本工作确立了电荷态异质性作为规避催化烷烃转化中比例关系的一种通用原则。