【導語】在(zài)現(xiàn)代(dài)化(huà)工(gōng)產(chǎn)業鏈中，丙烯作為核心原料的戰略地位不言而喻。然而，傳統丙烷脫氫製備丙烯的高溫工藝能耗巨大且催化劑易失活。麵對“碳中和”的全球挑戰，科學家們探索出了一條革命性的新路徑。中科院大連化物所等團隊通過銅單原子催化劑與光-熱協同催化策略，成功在接近室溫條件下實現了高效丙烷脫氫，標誌著化工過程“低溫化革命”的開端。這一突破性成果不僅大幅節能降耗，還為綠色催化科學開辟了新方向。

在現代化工產業鏈中，丙烯是一個不可或缺的"樞紐分子"，其戰略地位僅次於乙烯。作為三大合成材料（塑料、橡膠、纖維）及洗滌劑等日化糖心APP官网进入的重要基礎原料，丙烯支撐著現代生活的方方麵麵。為了製造它，工業上通常要將丙烷加熱到600°C以上的高溫，通過一種被稱作“丙烷脫氫”（PDH）的反應，製備出這個關鍵化合物。

該成果的丙烷脫氫反應示意圖（圖片來(lái)源(yuán)：參(cān)考(kǎo)文獻(xiàn)[1]）

然(rán)而(ér)，這(zhè)一(yī)技(jì)術(shù)突(tū)破(pò)的(de)意(yì)義(yì)絕(jué)非(fēi)僅(jǐn)限(xiàn)於(yú)溫(wēn)度(dù)參(cān)數(shù)的(de)改(gǎi)變(biàn)。高(gāo)溫(wēn)工(gōng)藝(yì)會(huì)導(dǎo)致驚人的能源消耗與催化劑失活問題的雙重困境最終影響催化效果和使用壽命。在“碳中和”逐漸成為全球共識的今天，這樣的高溫煉化路線正麵臨前所未有的挑戰。

於是，科學家們開始尋找新的方法，有沒有可能，把這個600°C的化學(xué)反(fǎn)應(yīng)，“冷(lěng)卻(què)”到(dào)室(shì)溫(wēn)以(yǐ)下(xià)？有(yǒu)沒(méi)有(yǒu)可(kě)能(néng)，借(jiè)助(zhù)太(tài)陽(yáng)光(guāng)的(de)能(néng)量(liàng)？

銅(tóng)單(dān)原(yuán)子(zi)+水(shuǐ)+陽(yáng)光(guāng)：一(yī)場(chǎng)催(cuī)化(huà)革(gé)命(mìng)的(de)三(sān)重(zhòng)奏(zòu)

在(zài)傳(chuán)統(tǒng)化(huà)學(xué)工程中，能量輸入往往遵循"高溫高壓"的簡單範式，總是粗暴而直接。但中國科學院大連化學物理研究所與上海高研院的研究團隊卻另辟蹊徑，顛覆了這一百年來的固有認知。他們發現了銅單原子催化劑（Cu₁/TiO₂），猶如在分子世界安裝了一個精密的"能量轉換器"，通過電子態調控和界麵效應，實現了溫和條件下的高效催化。

不同催化劑的丙烯生成速率對比(bǐ)（圖片來源：參考文獻[1]）

研究團隊開創性地采用了光-熱協同催化（photo-thermo catalysis）這一創新策略，通過巧妙耦合太陽(yáng)光(guāng)能(néng)與(yǔ)溫和熱能，實現了催化過(guò)程(chéng)的(de)能(néng)量(liàng)協(xié)同(tóng)增(zēng)效(xiào)。。實(shí)驗(yàn)中(zhōng)，他(tā)們(men)在(zài)一(yī)個(gè)固(gù)定(dìng)床(chuáng)反(fǎn)應(yīng)器(qì)中(zhōng)通(tōng)入(rù)了(le)丙(bǐng)烷(wán)、水(shuǐ)蒸(zhēng)氣(qì)和(hé)氮(dàn)氣(qì)的(de)混(hùn)合(hé)氣(qì)體(tǐ)，同(tóng)時(shí)給予一定強度的紫外-可見光照射。結果在50–80°C的溫度下，催化劑便能穩定地產出丙烯，最高反應速率達到1201 μmol/g/h，幾乎可以媲美傳統高溫工藝。尤為關鍵的是，該體係通過水蒸氣參與的光熱協同機製，既避免了高溫導致的催化劑失活，又顯著提升了反應選擇性，為綠色催化提供了全新範式。

在50°C條件下使用Cu₁/TiO₂ 催化劑進行循環測定時的丙烯和氫氣生成速率（圖片來源：參考文獻[1]）

這項研究的突破性在於構建了一個精密的"三位一體"催化係統-銅單原子、水分子和光三者協同作用，缺一不可。其中，原子級分散的銅單原子（Cu₁）作為催化體係的"活性心髒"，它們像“釘子”一樣固定在二氧化鈦表麵。這種獨特的單原子構型宛如一個個分子級的"催化釘子戶"，既避免了傳統納米顆粒易團聚燒結的缺陷，又最大限度地暴露了活性位點。

水蒸氣在光照下被催化裂解，生成羥基自由基（·OH）和活性氫原子，其中·OH可以從丙烷中抽取氫原子，觸發脫氫反應生成丙烯。光提供能量，讓水分子裂解、電子轉移、自由基產生，整個過程沒有高溫，卻有高效。

整個過程中，水既不是反應物也不是產物，而是作為可循環的催化介質參與反應。這種水催化的概念，與糖心免费视频習慣的水參與反應、最終被生成或消耗大不相同，堪稱是一種新的綠色催化範式。

特別值得注意的是，該體係通過光-水協同作用構建了一個自維持的催化循環：水分子在光驅動下持續活化產生活性物種，反應完成後又恢複為水分子，整個過程實現了能量的精準傳遞與物質的循環利用。這種"借力打力"的催化策略，為開發溫和條件下的高效化工過程提供了全新思路。不僅如此，這個方法還兼容性極強。研究人員發現，除了丙烷，乙烷、丁烷等輕質烷烴也能通過相同方式脫氫，生成對應的烯烴產物如乙烯、丁烯等。這意味著，這種技術不僅僅是一個新反應，而是有潛力擴展為整個煉化工藝流程的通用替代平台。

銅原子如何牽起“水”與“光”的手

銅、水和光，它們如何互相配合，讓一個需要600°C才能(néng)發(fā)生(shēng)的(de)反(fǎn)應(yīng)在(zài)接(jiē)近(jìn)室(shì)溫(wēn)下(xià)悄(qiāo)然(rán)進(jìn)行(xíng)？答(dá)案(àn)藏(cáng)在(zài)催(cuī)化(huà)劑(jì)表(biǎo)麵發生的一連串“光-電-化學(xué)”事(shì)件(jiàn)中。

首先是光的角色。當紫外-可見光照射到Cu₁/TiO₂催化(huà)體係時，TiO₂半導體吸收光能後激發出電子-空穴對。這些光生電子迅速遷移至錨定的銅單原子上，將Cu²⁺還原為具有高活性的Cu⁺物種，而留下的空穴則驅動水分子氧化解離，形成關鍵的羥基自由基（·OH）。這一過程實現了光能到化學能的精準轉化。

接下來登場的是水蒸氣。通過持續的光解循環產生·OH自由基。這些·OHs表現出驚人的選擇性，它們會牢牢附著在TiO₂表麵的特定位置，精準地從丙烷分子中奪取一個氫原子，生成丙烯和水，而不會過度氧化為二氧化碳或其它副產物。這也正是丙烯選擇性高達99%的關鍵。

而銅單原子扮演的角色至關重要，它既是電子接受體，幫助分離光生載流子，又是活性位點調控者，使得周圍的氧原子具備合適的電荷密度，降低了丙烷脫氫的能壘。通過密度泛函理論計算，研究者發現，在Cu存在的情況下，丙烷分子C–H鍵斷裂的能壘從傳統體係的1.3–1.5 eV降到僅0.09 eV甚至接近於0。這意味著，隻要有一點熱量和光能，反應就能自發進行。

Cu₁/TiO₂單原子催化劑的球差電鏡圖像（圖片來源：參考文獻[1]）

研究團隊還通過同位素標記實驗進一步驗證了反應路徑，他們使用氘代水（D₂O）與氘代丙烷（C₃D₈）後，他們檢測到產物中確實含有來自水的氫（H₂或HDO），而非僅由丙烷釋放出的氫。這一結果明確了，丙烷的氫不是被直接奪走，而是被水裂解生成的·OHs協助移除的。

在太陽光下直接反應的反應器照片（圖片來源：參考文獻[1]）

在傳統催化體係中，高溫是打破能壘的“重錘”；而在這項新技術中，銅、水與光的協同作用，像是精巧的杠杆係統，用最小的能量撬動最大的轉化效率。

總結

這項由中科院大連化物所等團隊完成的研究，不僅突破了傳統丙烷脫氫工藝的溫度限製，，更開創性地從根本上重新設計了反應路徑。研究團隊以銅單原子為催化核心，借助水蒸氣和陽光的天然能量流，將傳統依賴高溫的大工業反應“冷卻”到接近常溫。這不僅大幅節省能耗，減少副產物，更預示著未來太陽光+單原子催化劑+綠色載體可能成為催化科學的一個新方向。這項成果標誌著化工過程"低溫(wēn)化(huà)革(gé)命(mìng)"的(de)開(kāi)端(duān)，為(wèi)重(zhòng)塑(sù)高(gāo)耗(hào)能(néng)基(jī)礎(chǔ)化(huà)學(xué)工(gōng)業(yè)提(tí)供了全新的技術範式。

參考文獻：

[1] Kang, Leilei, et al. "Light-driven propane dehydrogenation by a single-atom catalyst under near-ambient conditions." Nature Chemistry (2025): 1-7.

[2] Monai, Matteo, et al. "Propane to olefins tandem catalysis: a selective route towards light olefins production." Chemical Society Reviews 50.20 (2021): 11503-11529.

[3] Motagamwala, Ali Hussain, et al. "Stable and selective catalysts for propane dehydrogenation operating at thermodynamic limit." Science 373.6551 (2021): 217-222.

作者丨Denovo科普團隊（張瑋傑博士；楊超博士）

審核丨任小敏 大連工業大學副教授