近日，《催化学报》作为封面文章在线发表了课题组在分子筛催化丙烷脱氢领域的最新研究成果。该工作成功在纯硅MFI沸石纳米片内精准构筑了原子级高度分散的Pt-O-Fe双金属活性基元，基于强相互作用和双功能机制构建具有可再生性和长周期稳定性的高效PDH催化剂，该策略兼具结构可控性与催化性能提升，为PDH催化剂设计提供了新的结构-性能指导。论文第一作者为2023级博士生吕昕彤。
1. 研究背景
丙烯作为现代化学工业的基础材料，其全球需求的持续攀升对高效定向生产技术提出了迫切挑战。丙烷脱氢（PDH）技术因以低碳丙烷为原料、产率高且环境友好而备受关注。商业Pt基催化剂极易因金属颗粒的不可逆烧结及反应器内的严重积碳而迅速失活，构成制约该技术长周期稳定运行的核心瓶颈。近年来，基于纳米限域效应调控的双金属催化体系展现出提升热稳定性与选择性的潜力。然而，如何精准构筑高度分散的多组分活性中心，并阐明其内在协同机制，仍在合成与理论两个层面面临严峻挑战。鉴于此，开发兼具卓越热稳定性与催化活性的新型结构范式，对于推动下一代先进PDH工业催化剂的理性设计具有重大的科学价值。
2. 主要创新点
本研究突破了传统浸渍法中金属易团聚及界面作用弱的限制，创新性地提出一种简便高效的一锅法（One-pot）共限域策略。该方法结合氟离子辅助晶核形貌调控与金属前驱体原位组装，在纯硅MFI沸石纳米片内精确构筑了原子级分散的Pt–O–Fe双金属活性位点。核心创新在于：骨架Fe(III)嵌入分子筛形成局域扭曲四面体，实现“空间隔离”与“化学锚定”；Fe–O–Pt桥键稳固孤立Pt单原子，从热力学上抑制Pt迁移与团聚。该微环境不仅优化了电子结构，还通过调控Pt/Fe化学计量比实现双金属协同效应最大化。在高温脱氢条件下，催化剂展现出优异性能，稳定实现>95%丙烯选择性和48.0 mmol C3H6·gcat-1·h-1产率，并具良好可再生性。该策略兼顾结构可控性与催化性能提升，为工业PDH催化剂设计提供了全新范式。
3. 主要研究结果
图1：催化剂的HAADF-STEM 和 iDPC-STEM 图像
要点：结合iDPC-STEM成像与高分辨率元素映射分析，清晰观察到Fe元素高度富集于分子筛骨架，而超细孤立的Pt物种则被精准限域在孔道内部，两者在空间上呈现原子级共定位，直接印证了骨架Fe对Pt原子的区域选择性锚定作用。
图2：催化剂化学特性与结构分析
要点：综合H2-TPR、原位CO-DRIFTS及X射线吸收精细结构光谱（XAFS）揭示了活性中心的配位环境；确证了Fe主要以四面体骨架Fe3+形式存在并排除了金属合金相的生成，同时CO红外光谱（2048 cm-1特征峰）证明了Pt以纯粹的孤立Pt1状态存在；EXAFS拟合明确了特征性Fe-O-Pt桥键的存在，从原子尺度证实了高活性基元的配位结构。
图3：丙烷脱氢反应的催化性能与稳定
要点：系统且严苛的PDH性能评估表明，优化的0.3Pt2Fe@NS催化剂不仅展现出最低的表观反应活化能（66.3 kJ/mol），且在550 ℃下实现了高达48.0 mmol C3H6·gcat-1·h-1的丙烯生产力，选择性稳定大于95%，连续运行30小时性能无衰减；在无氢气共进料与极高空速（24 h-1）等极端工况下，亦能在多次氧化-再生循环后实现活性的100%恢复。
图4：反应机理原位研究。
要点：利用原位红外光谱、瞬态程序升温表面反应（TPSR）及脉冲同位素追踪探明了反应动力学演化；揭示了该催化剂在反应中优先且高效地活化丙烷甲基C-H键，并伴随质子化羟基（Fe-OH-Pt/Si）的动态生成演变；此外，极强的抗C-C键深度裂解能力与高效的H-D同位素交换效率共同证实了该特殊基元在定向切断C-H键上的本征催化优势。
4. 催化机理阐释
基于系统原位实验与动态同位素追踪结果，本文阐明了Si-O-Fe-O-Pt构型主导的双功能协同催化机制。在这一高度限域的反应微环境中，孤立Pt1位点异裂丙烷C–H键启动催化循环，而邻近骨架Fe通过桥氧高效接纳H*，促使瞬态Fe-OH基团的形成并加速氢气的重组与脱附，从而使Pt1位点快速再生。这一“高频C-H活化-质子定向转移-氢气快速脱附”的闭环协同作用，降低了脱氢动力学能垒。同时Pt被骨架Fe隔离，阻断C–C裂解和积碳路径，实现高丙烯选择性与优异抗烧结性能。
5. 全文小结
本文提出并验证了一种利用氟离子介导的老化与原位结晶相融合的一锅共限域合成新策略。
该方法成功在纯硅MFI沸石纳米片框架中，精准构筑了由骨架Fe化学锚定的原子级高度分散Pt位点。
多维度谱学与高分辨球差电镜证据确证了Si-O-Fe-O-Pt结构单元的形成。
该双金属位点通过强相互作用和双功能机制，在显著促进C-H键异裂与氢气脱附的同时，有效遏制了金属在高温条件下的烧结失活。
优选的0.3Pt2Fe@NS催化剂在工业相关的高负荷及循环再生测试中，展现出优异的的丙烯生产力与稳定性。
文献信息：
Xintong Lv, Zhengchang Wei, Xin Deng, Yuchao Chai, Guangjun Wu*, Landong Li*, Chin. J. Catal., 2026, 84, 61-73. (点击链接到Elsevier网站，下载全文）