王熙教授课题组在Nature Communications上发表最新研究成果

近日，在科技部、基金委、中石化和北京交通大学的支持下，我院王熙教授课题组在Nature Communications上发表最新研究成果。文章的第一作者为博士生姚永彬，通讯作者为美国布鲁克海文国家实验室Sanjaya D. Senanayake和王熙教授。

该成果是在前期工作基础上（Xi Wang,* et al. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 5930; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216835; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202414719; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202402215; Adv. Mater. 2024, 36, 2406343；Chem. Sov. Rev. 2024, 53, 5014），通过精准构建原子级双位点，提升单原子Fe的z方向的轨道占比，从而实现其与O₂的反应轨道的耦合（增加轨道重叠度），协同活化丙烷与氧气，并采用Langmuir-Hinshelwood (L-H)机制代替MvK机制，从根源上抑制CO_x生成，实现了1000小时丙烷氧化脱氢单程寿命，为目前报道最高值。

双原子催化剂构建与单原子机理对比及其性能图

丙烯是现代工业中不可或缺的原料之一，广泛应用于聚丙烯、丙烯腈、纤维等产品的生产。随着下游聚丙烯等产品的需求不断增长，丙烯的市场供需矛盾日益突出。丙烷直接脱氢（Propane dehydrogenation, PDH）凭借其简洁的工艺流程、低投资成本及高丙烯收率，已成为我国丙烯产能扩张的主导技术路线。但 PDH 工艺运行温度高，易结焦失活，需要频繁再生，显著增加了工业运行成本。ODHP（丙烷氧化脱氢）是生产丙烯的有前景途径，相较传统PDH（丙烷直接脱氢）反应，它具备放热性、低积碳等优点。但主流金属氧化物催化剂（MOCs）由于Mars-van Krevelen (MvK)机制会形成高选择性的电负氧，进而氧化丙烯产生CO_x，严重影响效率。

研究表明Ni₁Fe₁-TiO₂催化剂，由于其表面少量的电负性氧物种和相对容易的丙烯脱附能，有效抑制了丙烯醛（一种深度氧化过程中的重要副产物）的形成，从而减少了 CO_x 的生成。相比之下， Ni₁或Fe₁-TiO₂催化剂上，较强的丙烯吸附促进了丙烯与在氧空位上形成的电负性氧物种形成丙烯醛，导致进一步过度氧化成 CO_x。因此，控制电负性氧物种浓度和促进丙烯的及时脱附是提高 ODPH 反应选择性的关键。

这是该课题组提出的“轨道催化剂设计实现精准催化”理念的一个典型案例。2018年，王熙教授团队提出了基于轨道描述符的原子晕限域设计策略（Xi Wang* et al., Joule 2018, 2, 1075）。该策略通过精准量化轨道在催化剂几何与电子结构中的贡献，指导了高性能轨道催化剂的理性设计。在此理念指导下，课题组开发出的轨道催化剂成功应用于质子交换膜燃料电池电堆，并实现了低碳烷烃脱氢催化剂的载体国产化替代、工程化成套工艺开发及万吨级工业装置的建成。基于同一设计理念，特别是通过调控特定轨道暴露增加轨道重叠度，王熙课题组近期成功制备并应用了一系列高性能催化剂，进一步彰显了该策略的普适性（Xi Wang,* et al. Nat. Commun. 2025, 16, 1129; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202502118; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504869; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202509851）。