天大新成果打破丙烯脱氢催化剂开发创新“屏障”

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日前，天津大学成功打破传统实验“试错法”局限，取得了开发重要化工催化材料的新进展。该校新能源化工团队通过合金催化剂“孤立度”描述符的构建，只需向程序输入催化剂结构参数，就能实现烷烃脱氢催化剂“一键筛选”。

该研究得到国家自然科学基金和科技部重点研发计划支持，近日发表于《自然?纳米技术》。

作为全球产量最高、应用最广的基础化工原料之一，丙烯在工业生产中作用巨大，是制造塑料、合成橡胶和合成纤维等“三大合成材料”的基本原料，对纺织、制药、医疗等领域有重要价值。“丙烷脱氢法”是目前市场占有率增长最快、最具前景的丙烯生产技术之一。然而，我国现有的“丙烷脱氢”工艺主要依赖高价进口的成熟工艺包，作为工艺核心的催化剂被发达国家牢牢把持。缺乏自主知识产权的丙烷脱氢催化剂成为了国内化工业的短板弱项，中国丙烯工业形成了被西方国家“卡脖子”的局面。

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烷烃脱氢催化剂 天津大学供图

正如爱迪生在上千种导电材料中选择出钨丝，传统丙烯生产工艺采用实验“试错法”研发催化剂，往往需要数月甚至数年时间，消耗大量人力物力财力。通常，采用“试错法”得到的催化剂结构、组成较为复杂，导致催化剂-反应性能的构效关系难以明确，这也成为了催化剂开发创新的“屏障”。近年来提出的基于“单位点”催化剂的概念实现催化剂电子、几何结构的可控调控与制备，是催化领域长期追求的终极目标。

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催化剂设计策略  天津大学供图

对此，天津大学新能源化工团队提出了“催化微环境预测催化性能”的方法。他们创新算法，借助计算机程序发现了烷烃脱氢“单位点”合金催化剂的设计新途径，即只需获得催化剂的电子、几何结构参数“孤立度”，就能描述出烯烃选择性等性能，从而加速遴选性能优异的催化剂材料。基于该方法，研发的新型铂基催化剂贵金属用量降低超60%，可大幅度节约生产成本，提升了催化剂市场竞争力。实验证明，新型催化剂的丙烯选择性显著优于国际同类产品，且在长程稳定性和再生循环测试中均保持稳定。