Le propylène est l’une des matières premières pétrochimiques les plus importantes, après l’éthylène. Pour répondre à la demande toujours croissante, des technologies alternatives pour la production de propylène sont nécessaires de toute urgence, parmi lesquelles la déshydrogénation du propane (PDH) a été considérée comme la plus prometteuse.
En tant que candidats bon marché et respectueux de l’environnement, les catalyseurs à base de Ni ont suscité un grand intérêt de la part des chercheurs dans diverses applications catalytiques, telles que l’hydrogénation, le reformage du méthane, l’électrochimie et la photocatalytique, etc. Cependant, peu d’études ont été menées sur le Ni dans la déshydrogénation des alcanes. des températures élevées, probablement parce que les espèces de Ni sont facilement réduites en nanoparticules de Ni métallique (NP) au cours de la réaction brutale, ce qui peut entraîner une déshydrogénation profonde et une mauvaise sélectivité.
En tant que nouvelle frontière dans le domaine de la catalyse, les catalyseurs à atome unique (SAC) ont été largement utilisés dans diverses réactions catalytiques, mais leur application dans la déshydrogénation d’hydrocarbures légers à haute température a été limitée. Dans la déshydrogénation du propane, l’activation de la liaison CH est insensible à la structure du catalyseur, mais les réactions secondaires indésirables telles que l’hydrolyse, l’isomérisation et la cokéfaction sont des réactions typiques sensibles à la structure qui nécessitent la participation de plusieurs atomes métalliques.
Par conséquent, les SAC avec des centres actifs métalliques dispersés isolés présentent des avantages évidents dans la suppression de ces réactions secondaires et deviennent des candidats potentiels pour la déshydrogénation catalytique des alcanes.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Botao Qiao de l’Institut de physique chimique de Dalian, Académie chinoise des sciences, a démontré que le catalyseur monoatomique de Ni sur support anatase TiO2 (Ni1/A-TiO2) présentait non seulement une activité intrinsèque et une sélectivité en propylène supérieures, mais également une bien meilleure stabilité que le catalyseur de nanoparticules de Ni (NP) correspondant (NiNP/A-TiO2) dans la réaction PDH à 580 °C.
Le taux de production de propylène sur Ni1/A-TiO2 était d’environ 1,96 molC3H6.gNi-1.h-1, soit plus de 65 fois celui de l’échantillon NiNP/A-TiO2 (0,03 molC3H6.gNi-1.h-1).
En combinaison avec les caractérisations HAADT-STEM, CO-DRIFTS in situ, XPS in situ et XAS, ils ont confirmé que le Ni SAC contient principalement des atomes de Ni individuels dispersés individuellement sur le support dans un état de valence Ni (II) positif, avec principalement joué comme centre actif plutôt que favorisé la formation de sites d’ions Ti insaturés coordonnés.
De plus, en raison de la forte interaction métal-support entre les NP de Ni et le support de TiO2 dans des conditions réduites, les sites de nanoparticules de Ni ont été encapsulés par une surcouche de TiOx (~ 2 nm d’épaisseur), affichant ainsi une conversion initiale du propane et une durabilité inférieures. Ce travail met en évidence l’avantage du catalyseur monoatomique avec un site actif isolé dans la réaction PDH et fournit une référence pour les recherches futures sur la préparation et l’application des SAC.
Les résultats sont publié dans le Journal chinois de catalyse.
Plus d’information:
Qian Zhang et al, Déshydrogénation catalytique du propane par des catalyseurs à un seul atome de Ni supportés par anatase, Journal chinois de catalyse (2024). DOI : 10.1016/S1872-2067(23)64584-X