论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5195
烷烃直接脱氢是工业制烯烃的重要途径，目前商业技术主要掌握在国外公司。由于反应须在高温苛刻条件下进行，商业化烷烃脱氢催化剂（Pt基和Cr基催化剂）仍面临易烧结、易积碳、催化剂需频繁再生并因此带来高能耗、高排放等一系列问题。因此，创制具有自主知识产权的超高稳定性催化剂，开发新一代烷烃直接脱氢技术并推进其产业化是重中之重。特别是如何构筑在高温苛刻反应条件下稳定，兼具高活性和高选择性的金属催化剂，是催化领域公认的重大挑战。
为此，厦门大学王野教授团队联合中国科学技术大学国家同步辐射实验室姜政教授团队，利用铟元素在反应条件下的动态迁移特性，创制出高达5500小时以上寿命的超高稳定性In/Rh@S-1催化剂，在近热力学平衡收率条件下高选择性催化丙烷等低碳烷烃直接脱氢制取对应烯烃。借助原位XAFS技术对In/Rh@S-1催化剂活性位进行了结构分析。从In边XANES谱图中白线或者近边位置可以看出In在反应后从+3价还原至一个中间价态（可能是+1价，图2F），从Rh边XANES谱图中可以看出Rh在反应后被完全还原，且通过对比Rh foil和反应后的Rh@S-1的白线和近边位置可知此时Rh呈现负价（图2G），这一结果暗示In与Rh成键并发生电子传递。从In边的EXAFS谱图可以看出，In/Rh@S-1催化剂中In在反应后In-O键明显减少，确认了In的部分还原现象。更重要的是，在2.5 Å左右出现了归属为In-Rh键的配位峰(图2H)。从Rh边EXAFS可以更进一步确认反应后的In/Rh@S-1催化剂中Rh-In键的存在（图2I）。作者对EXAFS结果进行了解析，发现Rh-In键配位数是4.2左右，In-O键配位数2.0左右，结合电镜和红外表征提出S-1锚定的RhIn4单原子金属间团簇结构是In修饰Rh基限域催化剂的活性位。
图 1 In动态迁移构建高稳定性Rh单原子烷烃脱氢催化剂
图 2 In修饰Rh基催化剂的结构表征
图 3 RhIn位点的动力学模拟和DFT计算结果
总之，该工作的重要突破在于，新型In/Rh@S-1催化剂可有效规避积碳生成，无需像商用烷烃脱氢工艺须额外添加氢气以抑制积碳，也无需通过空气烧焦频繁再生，使过程更简便且更加绿色。此外，单原子Rh表现出非常优异的C-H键活化性能，基于单位贵金属质量的丙烯生成速率比当前报道的Pt基催化剂高1-2个数量级。开辟了Pt基和Cr基以外的无需频繁再生的烷烃脱氢新催化剂体系，有望开发具有自主知识产权的化工清洁生产技术，助力实现碳中和目标。
这一成果近期发表在Science上，本课题组姜政老师、孙凡飞老师分别为文章的共同通讯作者和共同第一作者。