背景介绍
丙烯（propylene, C3H6）是一种生产石化产品的非常重要的原料，最近蒸汽裂解装置的原料变为页岩基乙烷，导致丙烯供应与实际需求有巨大的差距。因此，迫切需要开发高效技术来满足实际需求。尽管丙烷直接脱氢（direct dehydrogenation of propane, DDP）已进行了研究和工业化，但由于该过程的吸热性，需要高反应温度（通常为≥650 ℃）才能获得足够高的丙烯产率。但是，恶劣的反应条件会导致严重的催化剂失活和丙烯的热分解，限制了该方法的适用性。
利用CO2作为温和氧化剂，对丙烷进行氧化脱氢（oxidative dehydrogenation of propane）（CO2-ODP：C3H8 + CO2→C3H6 + CO + H2O）是解决此类问题的有前景策略。CO2可以通过Boudouard反应（CO2 + C→2CO）去除沉积在催化剂表面的焦炭，并且CO2可以抑制丙烯和催化剂本身的过度氧化，从而为丙烯生产提供有效的催化体系。此外，将CO2催化转化为增值化学品有利于碳循环和减少温室气体排放。
成果简介
近日，日本北海道大学Shinya Furukawa（通讯作者）等人报道了一种在氧化铈（CeO2）上铂-钴-铟（Pt-Co-In）三元纳米合金（即Pt-Co-In/CeO2纳米合金）催化剂，其具有(Pt1-xCox)2In3伪二元合金结构。实验测试发现，该Pt-Co-In/CeO2催化剂在550 °C时表现出非常高的催化活性、C3H6选择性、稳定性和CO2利用率。其中，Pt-Co-In/CeO2催化剂在20 h内对丙烷（C3H8）的转化率为50%，对C3H6的选择性最高可达95%。
通过密度泛函理论（DFT）计算和机理研究发现，将Pt与In和Co合金化显着分别提高了C3H6选择性和CO2还原能力。Co物种在费米能级附近提供高密度态，这降低了CO2还原的能垒。将合金强大的CO2活化能力与CeO2载体的析氧能力相结合，大大提高了催化剂的稳定性，促进了Mars-van-Krevelen-型焦炭的燃烧。
图文速递
小 结
综上所述，作者在CeO2上设计并制备了Pt-Co-In三元合金（Pt-Co-In/CeO2）作为CO2-ODP的高效催化剂。这种材料包含具有(Pt1-xCox)2In3伪二元合金结构的小纳米颗粒（2-3 nm），其中Pt、Co和In在原子水平上彼此相邻。通过实验测试发现，Pt-Co-In/CeO2表现出优异的催化活性、C3H6选择性、长期稳定性和CO2利用效率。
此外，Pt与In和Co的合金分别显着提高了选择性和活性，而CeO2载体通过Mars-van-Krevelen型焦炭燃烧显着提高了催化剂的稳定性。总之，该研究获得的结果不仅为烷烃脱氢和CO2还原提供了高效的催化体系，而且为基于多金属合金的材料设计提供了重要的见解。
文献信息
Ternary platinum-cobalt-indium nanoalloy on ceria as a highly efficient catalyst for the oxidative dehydrogenation of propane using CO2.Nature Catalysis, 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00730-x.
