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近日，中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所催化與新材料研究中心研究員張濤、王曉東、王愛琴、林堅團隊，與福州大學教授林森等合作，在單原子催化轉化丙烷脫氫制丙烯的研究中取得新進展。該團隊報道了氮摻雜碳載體穩定的Ru單原子催化劑，能夠實現臨氫條件下丙烷高效脫氫制丙烯，可媲美商業化PtSn/Al2O3催化劑。研究發現，Ru單原子中心內殼層和外殼層氮物種對催化劑的高穩定性和高選擇性起到重要作用。
丙烯是重要的有機化工原料，采用丙烷直接脫氫制丙烯和氫氣（PDH）是原子經濟型反應過程，頗具應用前景。當前，工業上PDH過程主要采用Pt基和Cr基催化劑，面臨價格較昂貴、環境不友好等問題。因此，開發非Pt和Cr基高效PDH催化劑具有重要意義。
本工作開發了高效穩定的氮摻雜碳負載的Ru單原子催化劑（Ru1/NC）用于高溫丙烷脫氫制丙烯反應。Ru1/NC相比于Ru納米催化劑具有更高的丙烷脫氫活性、選擇性和穩定性，其性能與工業PtSn/Al2O3催化劑相當。原位XAFS實驗發現，在高溫反應氣氛條件下，Ru1/NC中Ru1N4配位結構沒有發生改變，表明內殼層N配位的Ru1位點具有良好的穩定性。在此基礎上，研究團隊通過調控外殼層氮含量發現，隨著外殼層氮含量的增加，丙烯選擇性相應增加。DFT理論計算進一步表明，Ru單原子形成能隨內殼層Ru-N配位數增加而降低，說明內殼層的氮物種對穩定Ru1位點具有重要作用。而外殼層的氮物種可以傳遞電子給Ru1中心，降低丙烯的吸附能，進而提高丙烯選擇性。因此，Ru單原子內外殼層氮物種的共同作用實現該單原子催化劑丙烷高效脫氫生成丙烯。
張濤團隊近年來一直致力于單原子催化和低碳烷烴轉化的研究（Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.)。該工作在前期高選擇性孤立氧物種（J. Catal.、ACS Catal.）、高活性單原子和金屬氧化物雙位點策略（J. Am. Chem. Soc.）、單原子內殼層配位結構調變（Nat. Commun.、Nat. Commun.、ACS Catal.）等研究的基礎上，拓展至單原子中心微環境（內外殼層）的調變效應，為開發高效高穩定的單原子催化劑提供新的認識和研究思路。
相關研究成果以Peripheral-nitrogen effects on Ru1 center for highly efficient propane dehydrogenation為題，發表在《自然—催化》（Nature Catalysis）上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、大連市杰出青年科技人才支持計劃等的支持。
大連化物所等基于Ru單原子周圍氮物種的調變實現高效丙烷脫氫制丙烯
