这所211，上个月刚发Science，今日再发Nature！

米测MeLab

2025-06-09

第一作者：徐志康，高铭滨，韦尧

通讯作者：朱海波，叶茂，鲍晓军 

通讯单位：福州大学，清源创新实验室，中国科学院大连化学物理研究所 

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导读

继福州大学鲍晓军教授、朱海波教授等在Science发表题为“A self-regenerating Pt/Ge-MFI zeolite for propane dehydrogenation with high endurance”论文（DOI: 10.1126/science.adu6907）的48天后，福州大学/清源创新实验室鲍晓军教授，福州大学朱海波教授团队联合中国科学院大连化学物理研究所叶茂研究员团队等在Nature发表了题为“Pt migration-lockup in zeolite for stable propane dehydrogenation catalyst”的论文，这两项工作分别解决了铂基催化剂在高温丙烷脱氢反应中无氯氧化再生与反应稳定性两大挑战。

研究要点

本文通过控制沸石Silicalite-1（S-1）晶体b轴的长度，制备了具有超强稳定性的丙烷脱氢Pt基催化剂，该催化剂在550 ℃的温度下可稳定运行超6个月，在平衡转化率为91%的同时，丙烯的选择性可达到98.3%，超过所有同类的Pt基催化剂。

研究背景

丙烯是重要的基础化工原料，页岩气革命使丙烯生产从石脑油裂解转向以丙烷脱氢(PDH)为主导技术的直接生产，然而，由于丙烷脱氢是强吸热反应，反应通常在较高温度下进行，金属组分的烧结、积碳的生成致使传统Pt基催化剂在反应过程中快速失活，目前报道的所有Pt基PDH催化剂均不能在工业相关条件下保持高活性和高选择性的同时稳定运行超过6个月。因此，发展抗烧结、抗积碳的高稳定性Pt基PDH催化剂仍面临很大的挑战。

研究思路

1. 设计催化体系

将活性金属Pt组分封装在MFI结构分子筛的孔道中可短期抑制其在丙烷脱氢反应中的烧结失活，但长期的高温反应会致使Pt物种缓慢的从分子筛孔道内部扩散迁移至分子筛外表面，同时反生不可逆的聚集失活。

基于此，作者首先尝试通过调控S-1分子筛晶体b轴的长度控制双金属PtSn团簇在分子筛孔道内的扩散和迁移行为，以期提高催化剂的稳定性，结果表明：当b轴的长度小于2 um时，催化剂快速失活；而当b轴的长度大于2 um时，催化剂的稳定性显著提高（图1）。同时，催化剂的扩散限制分析表明：S-1孔道内Pt位点的内部扩散阻力可以忽略不计（图2）。随后，作者进一步测试了该催化剂的长期稳定性，在保持高活性、高选择性的同时，b轴长度为4 um的催化剂可稳定运行4500 h，反应性能远超其它同类催化剂（图3）。

图1. 催化剂的反应性能。

图2. 催化剂的扩散限制分析。

图3. 催化剂的稳定性测试及其与同类催化剂的对比。

3. 催化剂的结构表征

随后，作者利用光谱学技术（如XANES和EXAFS）以及球差电镜等对催化剂的结构进行了原子级的表征，结果表明（图4）：催化剂的初始活性物种为原子组成为PtSn₂的纳米团簇，随着高温反应的进行，PtSn₂团簇在分子筛孔道内扩散迁移的同时聚集生长，形成(PtSn₂)₂二聚体。

图4. 催化剂结构的原子级表征

4. 机理探究

基于以上实验和表征结果，作者通过模拟（图5）和理论计算（图6）的结果给出了活性金属组分在分子筛孔道内的“扩散-聚集-自锁”模型：当b轴的长度小于2 um时，PtSn₂团簇由于分子筛孔道内的扩散路径较短快速扩散迁移至分子筛外表面，发生不可逆聚集失活；而当b轴的长度大于2 um时，PtSn₂团簇在分子筛孔道内扩散迁移的同时聚集生长，最终形成(PtSn₂)₂二聚体牢牢“卡”在分子筛的孔道内，从而避免了催化剂的失活。

图5. 催化剂的迁移-聚集模型

图6. 理论计算模拟的反应路径

小结

本文发展了一种新的“扩散-聚集-自锁”策略用于在分子筛孔道中合成超高稳定性的金属@沸石催化剂，得到的Pt-Sn@S-1催化剂在高温丙烷脱氢反应中表现出远超其它同类催化剂的反应性能，这一策略在其他金属催化剂体系如Pt-Ge@S-1和Pt-Zn@S-1等均被证明是有效的。

原文详情

Zhikang Xu, Mingbin Gao, Yao Wei, Yuanyuan Yue, Zhengshuai Bai, Pei Yuan, Paolo Fornasiero, Jean-Marie Basset, Bingbao Mei, Zhongmin Liu, Haibo Zhu, Mao Ye, Xiaojun Bao. Pt migration-lockup in zeolite for stable propane dehydrogenation catalyst, Nature. (2025),

 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09168-8.