近日，国际化学领域顶级期刊《美国化学会志》以封面文章形式，发表了中国科研团队在丙烷脱氢催化剂研究中的重要突破。
天津大学化工学院刘国柱教授团队与太原理工大学、南开大学的研究团队合作，成功研制出一种锗取代沸石封装铱单原子催化剂（IrGe@S-1），在国际上首次实现铱单原子在丙烷脱氢反应中的超长期稳定运行。该研究通过“刚柔并济”的设计思路，为攻克丙烷脱氢催化剂高温易失活这一世界性难题提供了新路径，为我国高端催化剂的自主创新与产业链安全奠定了重要科学基础。
丙烯是现代化工的关键基础原料，被誉为石化工业的“基石”。从日常生活中的食品包装、家电外壳、汽车内饰，到医疗器械、电子元件等高端领域，都离不开以丙烯为主要原料生产的聚丙烯等重要材料。据Fortune Business Insights 2026年1月发布的报告显示，2023年全球丙烯市场规模已达约1213.4亿美元，并保持稳步增长，其中亚太地区是最大消费市场，占全球总消费量的62%以上。然而，全球丙烯生产仍较多依赖石油炼化副产，其供应受炼油产业和乙烯生产调控的较大影响。
为提升丙烯供应的自主可控能力，我国近年来积极推动以丙烷为原料的丙烷脱氢工艺发展。该技术可将价格相对较低的丙烷直接转化为高附加值的丙烯，有助于降低对进口原油的依赖，增强产业链安全性。当前，全球通过丙烷脱氢工艺生产的丙烯市场规模已达数百亿美元，已成为增长最为迅速的丙烯生产路线之一。
在丙烷脱氢装置这个庞大的工业“心脏”中，催化剂是其最核心的“瓣膜”。目前，全球丙烷脱氢工业装置常规采用的铂（Pt）基、铬（Cr）基两类传统催化剂，在高达550-650℃的反应“熔炉”中，面临活性中心“积碳覆盖”与“烧结团聚”两大核心挑战，逐渐失去催化活性。催化剂的性能直接决定了装置能连续稳定运行多久，是影响整个装置生产效率和经济效益的关键命脉。
当前，全球学者从提升金属效率、开发替代金属、探索全新反应路径、以及强化催化剂稳定性等多条路径同步研究。其中，单原子催化剂因其能够显著降低“积碳覆盖”，将贵金属原子利用效率推向理论极限而备受瞩目。然而，单原子催化剂容易“烧结团聚”，即在高温反应条件下极易迁移团聚而失活，只有保持其长期稳定性，才能发挥单原子催化剂的最大效用。
面对这一挑战，天津大学化工学院刘国柱教授团队采用“刚柔并济”的策略，实现了铱单原子在丙烷脱氢反应中超过800小时的超长稳定运行，具备极高的活性、优异的选择性与抗积碳性，为攻克上述难题提供了原创性解决方案。
研究团队创造性地在纯硅沸石骨架中掺入锗原子。锗的引入，像在沸石骨架中建造了更牢固的“锚桩”，与铱单原子形成极强的化学键，将铱原子牢牢“锁”在特定位置，使其在高温下也难以移动团聚，实现了“刚”性锚定。
研究发现，在反应过程中，通入的丙烷分子会与催化剂发生动态相互作用，“诱导”催化剂生成富含电子的低氧化态铱活性中心。这种“活”的结构，恰恰是高效切断丙烷分子中C-H键的关键，也即“柔”性活化。
这种‘刚性骨架固定，柔性电子调变’的设计，使得催化剂在严苛环境中既能保持结构稳定，又能展现超高活性。该催化剂适配性强，其‘超长单程运行’特性可大幅降低现有装置的停车再生频率，有力提升生产连续性与运行效率。依托该催化剂卓越的催化性能，有望推动新一代高效率、低能耗丙烷脱氢装置的研发与设计。
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