在現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)鏈中，丙烯是一個不可或缺的"樞紐分子"，其戰(zhàn)略地位僅次于乙烯。作為三大合成材料（塑料、橡膠、纖維）及洗滌劑等日化產(chǎn)品的重要基礎原料，丙烯支撐著現(xiàn)代生活的方方面面。為了制造它，工業(yè)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，制備出這個關鍵化合物。

該成果的丙烷脫氫反應示意圖（圖片來源：參考文獻[1]）

然而，這一技術突破的意義絕非僅限于溫度參數(shù)的改變。高溫工藝會導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面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

于是，科學家們開始尋找新的方法，有沒有可能，把這個600°C的化學反應，“冷卻”到室溫以下？有沒有可能，借助太陽光的能量？

銅單原子+水+陽光：一場催化革命的三重奏

在傳統(tǒng)化學工程中，能量輸入往往遵循"高溫高壓"的簡單范式，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(fā)現(xiàn)了銅單原子催化劑（Cu?/TiO?），猶如在分子世界安裝了一個精密的"能量轉(zhuǎn)換器"，通過電子態(tài)調(diào)控和界面效應，實現(xiàn)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（圖片來源：參考文獻[1]）

研究團隊開創(chuàng)性地采用了光-熱協(xié)同催化（photo-thermo catalysis）這一創(chuàng)新策略，通過巧妙耦合太陽光能與溫和熱能，實現(xiàn)了催化過程的能量協(xié)同增效。。實驗中，他們在一個固定床反應器中通入了丙烷、水蒸氣和氮氣的混合氣體，同時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(wěn)定地產(chǎn)出丙烯，最高反應速率達到1201 μmol/g/h，幾乎可以媲美傳統(tǒng)高溫工藝。尤為關鍵的是，該體系通過水蒸氣參與的光熱協(xié)同機制，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范式。

在50°C條件下使用Cu?/TiO? 催化劑進行循環(huán)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于構建了一個精密的"三位一體"催化系統(tǒng)-銅單原子、水分子和光三者協(xié)同作用，缺一不可。其中，原子級分散的銅單原子（Cu?）作為催化體系的"活性心臟"，它們像“釘子”一樣固定在二氧化鈦表面。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(tǒng)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(fā)脫氫反應生成丙烯。光提供能量，讓水分子裂解、電子轉(zhuǎn)移、自由基產(chǎn)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(chǎn)物，而是作為可循環(huán)的催化介質(zhì)參與反應。這種水催化的概念，與我們習慣的水參與反應、最終被生成或消耗大不相同，堪稱是一種新的綠色催化范式。

特別值得注意的是，該體系通過光-水協(xié)同作用構建了一個自維持的催化循環(huán)：水分子在光驅(qū)動下持續(xù)活化產(chǎn)生活性物種，反應完成后又恢復為水分子，整個過程實現(xiàn)了能量的精準傳遞與物質(zhì)的循環(huán)利用。這種"借力打力"的催化策略，為開發(fā)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(fā)現(xiàn)，除了丙烷，乙烷、丁烷等輕質(zhì)烷烴也能通過相同方式脫氫，生成對應的烯烴產(chǎn)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臺。

銅原子如何牽起“水”與“光”的手

銅、水和光，它們?nèi)绾位ハ嗯浜?，讓一個需要600°C才能發(fā)生的反應在接近室溫下悄然進行？答案藏在催化劑表面發(fā)生的一連串“光-電-化學”事件中。

首先是光的角色。當紫外-可見光照射到Cu?/TiO?催化體系時，TiO?半導體吸收光能后激發(fā)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(qū)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(xiàn)了光能到化學能的精準轉(zhuǎn)化。

接下來登場的是水蒸氣。通過持續(xù)的光解循環(huán)產(chǎn)生·OH自由基。這些·OHs表現(xiàn)出驚人的選擇性，它們會牢牢附著在TiO?表面的特定位置，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(chǎn)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(diào)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(fā)現(xiàn)，在Cu存在的情況下，丙烷分子C–H鍵斷裂的能壘從傳統(tǒng)體系的1.3–1.5 eV降到僅0.09 eV甚至接近于0。這意味著，只要有一點熱量和光能，反應就能自發(fā)進行。

Cu?/TiO?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（D?O）與氘代丙烷（C?D?）后，他們檢測到產(chǎn)物中確實含有來自水的氫（H?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(xié)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(tǒng)催化體系中，高溫是打破能壘的“重錘”；而在這項新技術中，銅、水與光的協(xié)同作用，像是精巧的杠桿系統(tǒng)，用最小的能量撬動最大的轉(zhuǎn)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(tǒng)丙烷脫氫工藝的溫度限制，，更開創(chuàng)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(tǒng)依賴高溫的大工業(yè)反應“冷卻”到接近常溫。這不僅大幅節(jié)省能耗，減少副產(chǎn)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。這項成果標志著化工過程"低溫化革命"的開端，為重塑高耗能基礎化學工業(yè)提供了全新的技術范式。

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（張瑋杰博士；楊超博士）

審核丨任小敏 大連工業(yè)大學副教授

來源: 科普中國創(chuàng)作培育計劃

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