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曹磊、代鹏程、赵学波在氢能研究方面取得新成果

发布者:王阳发布时间:2020-05-17浏览次数:52

近日,我校2016级博士生曹磊、新能源学院代鹏程副教授、赵学波教授在具有工业应用前景的丙烷氧化脱氢制丙烯高效催化剂研究方面取得新成果。相关科研成果《含硼金属有机框架化合物衍生的球形超结构氮化硼纳米片》(A Spherical Superstructure of Boron Nitride Nanosheets Derived from Boron-Contained Metal-Organic Frameworks)在国际化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society发表。

丙烯是极为重要的基础有机原料,可用以生产多种重要有机化工原料,在建筑、汽车、包装纺织等领域有广泛应用。近年来随着丙烯下游产业链的迅速增加,传统的丙烯来源已无法满足市场的需求,因而亟需开发新的丙烯来源。丙烷氧化脱氢制丙烯有丙烷转化率高、能耗低和无积碳等优势,是极具工业应用前景的反应。但是由于产物丙烯容易发生过度氧化,降低了目标产物的选择性,从而让丙烷氧化脱氢工艺一直无法达到工业化要求。因此,开发一种高效催化剂,抑制过度氧化,提升产物中丙烯的选择性是推动丙烷氧化脱氢发展最直接有效的手段。

氮化硼是目前为止烯烃选择性最高的丙烷氧化脱氢催化剂,但是单程烯烃收率离工业化需求仍有一定差距。通过可控合成提高活性物种在氮化硼表面的含量和分散度是一种有效提升催化性能的途径。构建分层的三维结构,尤其是基于二维氮化硼纳米片为基本单元的球状三维结构,有助于提高边缘活性物种的含量。除丰富的边缘活性位点外,特殊的三维球状结构促使反应混合气沿着球面进行有效地扩散并充分与活性位接触,提高催化剂的催化活性。然而迄今为止,如何控制氮化硼纳米片自组装形成三维球状超结构仍是一个充满挑战性的工作。

针对上述问题,曹磊、代鹏程、赵学波以金属有机框架化合物(MOFs)为前驱体,通过溶剂热转换的方式制备了三维球形超结构MOFs纳米片(SS-MOFNSs),并进一步以SS-MOFNSs为自牺牲模板,制备了球形超结构氮化硼纳米片(SS-BNNSs)催化剂。

MOFs衍生三维球形超结构氮化硼纳米片示意图

SS-BNNSs在丙烷氧化脱氢反应中表现出了优异的催化性能,510 ºC的操作温度下,产物中烯烃的收率达到40.2%(丙烯,27.8%;乙烯,12.4%),远超商业化的氮化硼纳米片(丙烯,23.8%;乙烯,8.6%)和高比表面积的氮化硼纤维(丙烯,20.7%;乙烯,10.2%)。通过系统的表征可以发现,SS-BNNSs表面富含B-OH,让催化剂无须活化就可以直接催化反应进行,同时特殊的结构优势提高了活性物种的分散度,利于反应气与活性位点快速接触和产物丙烯的迅速脱附,提升了产物丙烯的单程收率。SS-BNNSs自组装的构造过程和结构优势带来的性能提升拓宽了催化剂的设计思路。

SS-BNNSs催化丙烷氧化脱氢性能

近年来,赵学波教授带领的氢能团队从国家重大战略需求出发,聚焦新能源领域存在的“卡脖子”问题,尤其是氢能相关的关键问题,在氢气制备、氢气储存、氢同位素分离、氢燃料电池、化石能源加氢转化或脱氢转化等领域取得一系列高水平研究成果,承担国家自然科学基金、山东省重点研发计划等各类课题20余项,在Journal of the American Chemical Society、Applied Catalysis B:Environmental、ACS Nano、Advanced Functional Materials等国际期刊发表科研论文40多篇。除聚焦基础研究,氢能团队立足于服务山东,着力推动山东省新旧动能转换,积极发展化工新技术、新材料及其新应用,积极推动兖矿-石大校企合作,承担了硼氮共掺杂碳纸的制备、IMOF氢气纯化技术研究等氢能相关的重点校企合作项目累计350万元。

全文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01023