科研进展|上科大物质学院谢琎课题组在六方氮化硼稳定催化丙烷氧化脱氢制烯烃方面取得重要进展

丙烯是一种重要的化工基础原料，可用于生产聚丙烯、异丙苯、环氧丙烷等诸多产品，催化丙烷氧化脱氢制丙烯（ODHP）普遍被认为是一种潜在快速提升丙烯产能的生产工艺。在众多丙烷氧化脱氢催化剂中， h-BN的综合性能最为优良，极具工业推广潜力。但最新研究发现，h-BN在高温富水环境下催化ODHP时容易与产物水蒸气作用发生分解，造成活性组分硼元素的快速流失，导致催化性能快速衰减。因此明晰h-BN在催化环境下的分解机制并制定相应的解决策略是该领域目前的一个研究难点。

h-BN是一种石墨等电子体，具有出色的高温稳定性（空气中可达840℃）。h-BN催化ODHP反应时运行温度往往集中在480~550℃，研究发现，ODHP反应时释放热量集中在h-BN缺陷处，在外部高温的加持下h-BN的层间距会发生明显扩张，导致反应生成的大量水蒸气由h-BN边沿位置在层间进行扩散，造成剥离和碎片化。在较高的空速（即单位时间单位体积催化剂处理的气体量）下，大量轻质h-BN碎片会被反应气流带走，引发活性组分硼元素的快速流失。这一发现更加全面地解释了h-BN高温富水环境下催化ODHP时的失活机制。

在上述发现的基础上，科研人员借助ALD工艺在h-BN边沿位置沉积了一层无定形氧化铟（In₂O₃）。在ODHP反应环境下对h-BN和In₂O₃组成的复合催化剂进行热处理后，In₂O₃团聚成纳米颗粒，并同时被h-BN氧化生成的无定形BO_x包覆，进而增强了两种组分间的相互作用力，这种基于h-BN和In₂O₃之间的强相互作用被命名为金属氧化物-载体强相互作用（strong metal oxide-support interaction，SMOSI）。SMOSI效应使In₂O₃纳米颗粒像图钉一样加固了h-BN的二维层间结构，抑制了水蒸气对h-BN的剥离和氧化切割，大幅提升了h-BN的结构稳定性和催化寿命。本研究不仅为开发高性能h-BN基ODHP催化剂开辟了新途径，还为提升二维材料在苛刻应用环境下的结构稳定性提供了新策略。