背景介绍 在传统烯烃合成过程中，水分子作为反应介质，通常用于降低烷烃的分压，并有助于去除焦炭。然而，水分子在高温气相反应中的催化作用并未被深入研究。近日，香港中文大学（深圳）王璐教授、天津大学胡智鑫教授、中国科学技术大学赵龙教授合作，以气相丙烷脱氢反应为模型反应，通过理论和实验结合的方式，探索了高温丙烷脱氢反应过程中热辐射及水分子的催化作用。研究表明，水分子在气相催化丙烷脱氢反应中展现出意想不到的催化能力，通过热辐射激发分子振动和分子间非弹性碰撞，水分子能够通过产生OH•自由基促进丙烷脱氢反应，显著提高丙烷转化率和烯烃产率，并实现2000小时稳定运行。
图1. 催化性能及稳定性测试。 研究发现 如上图所示，在含水和热辐射条件下，丙烷脱氢催化性能显著提高。在650°C下，单程丙烷转化率达到51.14%，烯烃收率为37.93%，显著优于仅热脱氢条件，并表现出超过2000小时的优异稳定性。通过理论模拟、同位素标记实验、动力学分析和原位质谱及光谱表征等表征手段，深入研究了水分子在丙烷脱氢反应中的作用。实验结果显示，水分子通过产生OH•自由基，在引发反应过程中促进丙烷C-H断裂，从而提高烯烃选择性，最终实现高达37.93%的烯烃产率和51.14%的丙烷单程转化率，并且在超过2000小时的实验中，反应体系保持了极高的稳定性。 图2. 同步辐射光电离质谱及密度泛函理论计算结果。 该研究还通过同步辐射光电离质谱，验证了反应中自由基的分布，进一步证实了在热辐射的作用下，水分子的加入可以将决速步骤从C-C解离转变为C-H解离，从而提高烯烃产量。并且通过密度泛函理论计算，研究人员还揭示了热辐射可以显著降低反应的能垒，进而提高反应的效率。 研究意义与前景 这项研究深入探索了在高温丙烷脱氢反应条件下，借助其本征热辐射，水分子可以被活化，并作为催化剂参与反应。该研究成果为水分子在催化领域的应用提供了新视角，尤其是在高温均相反应中，水分子能够有效促进反应，并且在特定条件下表现出比传统非均相催化剂更高的反应活性和稳定性。同时，进一步的研究表明，水分子的催化作用与其分子振动密切相关，这为未来开发新型催化剂和改进现有反应体系提供了重要启示。此外，这一发现还可能对其他高温催化反应产生广泛影响，尤其是在绿色化学和可持续化学反应中，水分子的应用潜力将得到更广泛的关注。 论文信息 Stefan-Boltzmann Water Catalyzed Propane Dehydrogenation Dr. Xue Ding, Zichan Zheng, Dr. Chengyuan Liu, Junchuan Sun, Prof. Yongcai Zhang, Chen Huang, Prof. Wenguang Tu, Prof. Long Zhao, Prof. Zhixin Hu, Prof. Zhigang Zou, Prof. Lu Wang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202424800
