近日，趙學波教授帶領團隊在具有工業應用前景的丙烷氧化脫氫制丙烯高效催化劑研究方面取得新成果。相關科研成果《含硼金屬有機框架化合物衍生的球形超結構氮化硼納米片》（A Spherical Superstructure of Boron Nitride Nanosheets Derived from Boron-Contained Metal-Organic Frameworks）在國際化學領域頂級期刊Journal of the American Chemical Society發表。文章第一作者是趙教授博士研究生曹磊，通訊作者是趙學波教授和代鵬程副教授。
丙烯是極為重要的基礎有機原料，可用以生產多種重要有機化工原料，在建筑、汽車、包裝紡織等領域有廣泛應用。近年來隨著丙烯下游產業鏈的迅速增加，傳統的丙烯來源已無法滿足市場的需求，因而亟需開發新的丙烯來源。丙烷氧化脫氫制丙烯有丙烷轉化率高、能耗低和無積碳等優勢，是極具工業應用前景的反應。但是由于產物丙烯容易發生過度氧化，降低了目標產物的選擇性，從而讓丙烷氧化脫氫工藝一直無法達到工業化要求。因此，開發一種高效催化劑，抑制過度氧化，提升產物中丙烯的選擇性是推動丙烷氧化脫氫發展最直接有效的手段。
氮化硼是目前為止烯烴選擇性最高的丙烷氧化脫氫催化劑，但是單程烯烴收率離工業化需求仍有一定差距。通過可控合成提高活性物種在氮化硼表面的含量和分散度是一種有效提升催化性能的途徑。構建分層的三維結構，尤其是基于二維氮化硼納米片為基本單元的球狀三維結構，有助于提高邊緣活性物種的含量。除豐富的邊緣活性位點外，特殊的三維球狀結構促使反應混合氣沿著球面進行有效地擴散并充分與活性位接觸，提高催化劑的催化活性。然而迄今為止，如何控制氮化硼納米片自組裝形成三維球狀超結構仍是一個充滿挑戰性的工作。
針對上述問題，曹磊、代鵬程、趙學波以金屬有機框架化合物（MOFs）為前驅體，通過溶劑熱轉換的方式制備了三維球形超結構MOFs納米片（SS-MOFNSs），并進一步以SS-MOFNSs為自犧牲模板，制備了球形超結構氮化硼納米片（SS-BNNSs）催化劑。
MOFs衍生三維球形超結構氮化硼納米片示意圖
SS-BNNSs在丙烷氧化脫氫反應中表現出了優異的催化性能，510 oC的操作溫度下，產物中烯烴的收率達到40.2%（丙烯，27.8%；乙烯，12.4%），遠超商業化的氮化硼納米片（丙烯，23.8%；乙烯，8.6%）和高比表面積的氮化硼纖維（丙烯，20.7%；乙烯，10.2%）。通過系統的表征可以發現，SS-BNNSs表面富含B-OH，讓催化劑無須活化就可以直接催化反應進行，同時特殊的結構優勢提高了活性物種的分散度，利于反應氣與活性位點快速接觸和產物丙烯的迅速脫附，提升了產物丙烯的單程收率。SS-BNNSs自組裝的構造過程和結構優勢帶來的性能提升拓寬了催化劑的設計思路。
SS-BNNSs催化丙烷氧化脫氫性能
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01023