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重要化工品烷烃脱氢催化剂可“一键筛选”

2023-03-30 07:02:29来源：科技日报

(资料图)

科技日报记者陈曦通讯员焦德芳

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”。该研究相关论文3月28日发表于国际期刊《自然·纳米技术》。

丙烯是全球产量最高、应用最广的基础化工原料之一，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。

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，导致催化剂与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，能实现催化剂电子、几何结构的可控调控与制备，成为催化领域长期追求的终极目标。

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。

近年来，天津大学新能源化工团队探索形成了“催化剂理性设计—精准构筑—应用引领”的研究范例，建立了相对完整的具有自主知识产权的新型高效丙烷脱氢催化剂的专利体系。“我们正在与行业领军企业合作开展催化剂工程制备与工艺放大研究，实现了新型丙烷脱氢成型催化剂的工程制备，加速突破国外对催化剂技术的垄断。”该论文第一作者、天津大学化工学院博士生常鑫介绍，这项发现是化工、化学、材料、物理、数学等学科交叉的结果，可能为相关领域催化剂设计和催化过程解析提供新思路，对加快工业催化剂创新开发具有重要意义。

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