清華新聞網(wǎng)1月31日電 近日，清華大學(xué)化工系陸奇副教授與駱廣生教授團(tuán)隊(duì)在丙烷活化研究中取得突破，通過(guò)設(shè)計(jì)一種基于銅管的微通道反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了常溫常壓下高效、安全的丙烷氧化脫氫制丙烯。該技術(shù)有望在丙烷及其他低碳烷烴的資源化綠色利用方面發(fā)揮重要作用，促進(jìn)化工生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。
丙烯（C3H6）是石化行業(yè)的重要原料之一，目前的主要生產(chǎn)方法蒸汽裂化和流化床催化裂化難以滿(mǎn)足其迅速增長(zhǎng)的需求，利用頁(yè)巖氣中豐富的丙烷開(kāi)發(fā)丙烷脫氫工藝（PDH）來(lái)彌補(bǔ)缺口正在試行。然而，PDH工藝存在著吸熱特性需要大量能量輸入、轉(zhuǎn)化率受熱力學(xué)限制以及容易形成焦炭導(dǎo)致催化劑失活的缺點(diǎn)。丙烷氧化脫氫（ODHP）由于轉(zhuǎn)化率不受限且不易形成焦炭成為頗具吸引力的替代方案。然而，ODHP目前仍舊需要較高的溫度來(lái)運(yùn)行，容易導(dǎo)致如硼基類(lèi)的催化劑失活，同時(shí)烷烴和氧氣高溫下混合也有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。
因此，開(kāi)發(fā)一套低溫下的可以高效將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯的反應(yīng)體系是必要的。陸奇團(tuán)隊(duì)在工作中發(fā)現(xiàn)了可以在常溫下實(shí)現(xiàn)低碳烷烴轉(zhuǎn)化的反應(yīng)體系，然而，其在間歇反應(yīng)器中受到了傳質(zhì)限制，這不僅限制了對(duì)丙烷活化動(dòng)力學(xué)的研究，也限制了其實(shí)際中的應(yīng)用，同時(shí)烷烴與氧氣混合帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)并未有效解決?；谶@些挑戰(zhàn)，陸奇與駱廣生團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了銅管微反應(yīng)器并結(jié)合微分散氣液柱塞流（gas-liquid Taylor flow），實(shí)現(xiàn)了丙烷到丙烯的高選擇性、高活性轉(zhuǎn)化。
高速攝像機(jī)拍攝的結(jié)果表明，使用自制的微分散裝置（T-junction）可以使得氣液均勻地分散成柱塞流，丙烷和氧氣混合氣體單元被液體單元分隔，極大地降低了爆炸風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，柱塞流可以有效增加氣液接觸面積，同時(shí)可以減薄液膜，縮短氣體的擴(kuò)散路徑，這都可以有效地改善傳質(zhì)效率。
圖1.微反應(yīng)器增強(qiáng)傳質(zhì)效率。（a）柱塞流示意圖；（b）不同液體流速下的柱塞流；（c）不同液體流速下柱塞流的氣液接觸面積；（d）不同液體流速下柱塞流的液膜厚度
丙烷氧化脫氫的性能測(cè)試表明，該銅管微反應(yīng)器可以高效地將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯，選擇性超過(guò)92%，活性達(dá)到19.57毫摩爾/平方米催化劑/小時(shí)，相比于間歇式反應(yīng)器提升了27倍，也遠(yuǎn)優(yōu)于高溫下熱催化劑的單位面積活性。該工作進(jìn)一步對(duì)該體系的丙烷氧化脫氫進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析并通過(guò)DFT理論計(jì)算提出了可能的反應(yīng)路徑，為其他受到傳質(zhì)限制的反應(yīng)或在液相中反應(yīng)物溶解度低的反應(yīng)提供了改進(jìn)思路。
圖2.銅管微反應(yīng)器中的丙烷活化性能。（a）不同液體流速下的產(chǎn)物分布和反應(yīng)活性；（b）不同氣體流速下的產(chǎn)物分布和反應(yīng)活性；（c）與已發(fā)表丙烷氧化脫氫催化劑的單位面積活性比較；（d）丙烷活化穩(wěn)定性測(cè)試
近日，相關(guān)研究成果以“微通道反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)常溫常壓下丙烷高效轉(zhuǎn)化”（Efficient conversion of propane in a microchannel reactor at ambient conditions）為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。
陸奇和駱廣生為論文共同通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)工程系2018級(jí)博士生李春松和2017級(jí)博士生張皓晨為論文第一作者。清華大學(xué)化學(xué)工程系2021級(jí)博士生劉文萱、2019級(jí)博士生盛林、臺(tái)灣成功大學(xué)化學(xué)系副教授鄭沐政和北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授徐冰君參與了該工作。研究得到了化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）和清華大學(xué)自主科研專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45179-1
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
