科学通报 | 锰氧化物锚定Pt₂Mn团簇，让丙烷脱氢催化剂更稳定高效

丙烯作为聚丙烯、丙烯腈等化工产品的核心原料，市场需求持续攀升，丙烷脱氢（PDH）是当前丙烯生产的重要技术路径。Pt基催化剂因催化性能优异、环境友好成为丙烷脱氢的主流选择，但苛刻的反应条件易导致其结构变化、活性下降，开发高稳定性Pt基催化剂成为行业关键难题。

近期，沈阳师范大学研究团队在该领域取得重要进展，通过锰氧化物（MnOx）锚定构建Pt2Mn双金属团簇催化剂，实现了丙烷脱氢的高效稳定催化，相关成果发表于《科学通报》。

研究团队针对传统Pt基催化剂易失活、分散性差的痛点，采用简单的分步浸渍法，在silicalite-1（S-1）分子筛表面构建MnOx纳米颗粒，将其作为Pt物种的锚定位点，成功制备出颗粒尺寸约1 nm的团簇催化剂。通过X射线吸收近边结构谱（XANES）、一氧化碳漫反射红外傅里叶变换光谱（CO-DRIFTS）等多种先进表征手段，团队明确了催化剂的活性中心为Pt2Mn双金属团簇，这一结构为催化性能提升奠定了核心基础。

在催化性能测试中，优化后的Pt0.3Mn/S-1催化剂展现出优异的丙烷脱氢性能：在丙烷重时空速9.4 h-1的条件下，丙烷初始转化率达45.5%，失活速率常数仅为0.014 h-1，远优于部分传统Pt基催化剂。更值得关注的是，该催化剂在连续2300 min的长期稳定性测试中，丙烷转化率仅从53.3%小幅降至43.4%，丙烯选择性维持在94%以上，表现出出色的抗失活能力。

那么，这一催化剂为何能实现高效与稳定兼备？研究团队揭示了其核心作用机制：一方面，MnOx纳米颗粒充当“黏结剂”，不仅为Pt物种提供稳定的锚定位点，有效防止Pt颗粒聚集，还显著增强了金属与载体之间的相互作用，提升了Pt物种的分散度；另一方面，Mn的引入实现了从Mn到Pt的定向电子转移，提高了Pt的电子密度，削弱了Pt与丙烯C=C双键的相互作用，促进了产物丙烯的快速脱附，既提升了丙烯选择性，又有效抑制了深度脱氢、积碳等副反应的发生，从根源上缓解了催化剂失活。

此外，研究团队还系统探究了Mn负载量对催化剂结构和性能的影响规律。结果表明，Mn负载量过高会形成PtMn3晶相，导致丙烷转化率下降；而适量的Mn负载（Mn/Si摩尔比0.3:100）能精准调控形成Pt2Mn团簇，兼顾丙烷活化能力和丙烯脱附效率，实现催化性能的最优化。同时，该催化剂所采用的S-1分子筛载体无强酸性位点，可减少裂解副反应，进一步提升了催化稳定性。

丙烷脱氢技术的核心瓶颈在于催化剂的稳定性和效率，此次研究开发的MnOx锚定Pt2Mn团簇催化剂，为解决这一难题提供了新的思路和实验依据。该催化剂制备方法简单、原料易得，兼具高活性、高选择性和高稳定性，具有潜在的工业应用价值。同时，研究团队证实了双金属团簇的电子结构和几何结构对丙烷脱氢性能的关键调控作用，为后续高效PDH催化剂的设计与开发提供了重要的理论指导。

未来，研究团队将进一步探索Mn与其他金属助剂的协同效应，优化催化剂结构，持续提升其催化性能，推动该技术向工业化应用迈进，为丙烯绿色高效生产提供更多技术支撑。

图1 PtxMn/S-1催化剂的结构表征图.

焙烧后(a)和还原后(b)PtxMn/S-1催化剂的XRD图谱; 还原后PtxMn/S-1催化剂N2-吸附脱附等温线(c)及孔径分布图(d); 还原后PtxMn/S-1催化剂的紫外-可见漫反射光谱(e)和拉曼光谱(f); 还原后的Pt/S-1(g), Pt0.1Mn/S-1(h), Pt0.3Mn/S-1(i), Pt0.5Mn/S-1(j), Pt1.0Mn/S-1(k)的SEM图像; PtxMn/S-1催化剂的结构示意图(l)

图2 PtxMn/S-1催化剂的形貌表征.

还原后的Pt0.1Mn/S-1(a)、Pt0.3Mn/S-1(b)、Pt0.5Mn/S-1(c)和Pt1.0Mn/S-1(d)催化剂的STEM图像、粒径分布和EDS元素分布图; 还原后的Pt0.3Mn/S-1(e)催化剂的HRTEM图像

图3 PtxMn/S-1催化剂的结构表征.

(a) 焙烧后PtxMn/S-1催化剂的H2-TPR曲线图; 还原后PtxMn/S-1催化剂的CO-DRIFTS谱图(b), NH3-TPD曲(c), Mn 2p3/2(d)和Pt 4f5/2(e)XPS谱图

图4 催化剂的Pt L3边X射线吸收精细结构表征.

Pt0.1Mn/S-1和Pt0.3Mn/S-1催化剂的XANES谱图(a), EXAFS谱图(b)，和小波变换分析(c)~(e)

图5 PtxMn/S-1催化剂的性能评价.

PtxMn/S-1催化剂在450°C下丙烷转化率(a)和丙烯选择性(b)随时间变化图; PtxMn/S-1催化剂在590°C下丙烷转化率(c)和丙烯选择性(d)随时间变化图; (e) PtxMn/S-1催化剂的活化能; (f) 590oC下Pt0.3Mn/S-1催化剂(100 mg)的长寿命实验

图6 txMn/S-1催化剂的结构表征.

反应前后PtxMn/S-1催化剂的XRD图谱(a); 反应6 h后的PtxMn/S-1催化剂的拉曼光谱(b)和热重曲线(c)

文章信息

宋佳欣, 胡慧敏, 李东, 范晓强, 于学华, 赵震. 锰氧化物诱导的稳定Pt2Mn团簇催化剂高效催化丙烷脱氢. 科学通报, 2026, 71(26): 6273-6285.

Song Jiaxin, Hu Huimin, Li Dong, Fan Xiaoqing, Zhao Zhen. Manganese oxide-induced stable Pt2Mn cluster catalysts for highly efficient propane dehydrogenation (in Chinese). Chinese Science Bulletin, 2026, 71(26): 6273-6285. DOI: 10.1360/CSB-2025-5743.

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