近日，中科院大連化學物理研究所張濤院士、研究員王曉東、研究員王愛琴、研究員林堅團隊，與福州大學林森教授等合作，在單原子催化轉化丙烷脫氫制丙烯的研究中取得新進展。合作團隊報道了氮摻雜碳載體穩定的Ru單原子催化劑，能夠實現臨氫條件下丙烷高效脫氫制丙烯，可媲美商業化PtSn/Al2O3催化劑。研究發現，Ru單原子中心內殼層和外殼層氮物種對催化劑的高穩定性和高選擇性起到至關重要的作用。相關成果發表在《自然—催化》上。
丙烯是一種重要的有機化工原料，采用丙烷直接脫氫制丙烯和氫氣（PDH）是原子經濟型反應過程，具有顯著的應用前景。當前工業上PDH過程主要采用Pt基和Cr基催化劑，面臨價格較昂貴、環境不友好等問題。因此，開發非Pt和Cr基高效PDH催化劑具有重要意義。
工作中，研究人員開發了一種高效穩定的氮摻雜碳負載的Ru單原子催化劑（Ru1/NC）用于高溫丙烷脫氫制丙烯反應。Ru1/NC相比于Ru納米催化劑具有更高的丙烷脫氫活性、選擇性和穩定性，其性能與工業PtSn/Al2O3催化劑相當。原位XAFS實驗發現在高溫反應氣氛條件下，Ru1/NC中Ru1N4配位結構沒有發生改變，表明內殼層N配位的Ru1位點具有良好的穩定性。在此基礎上，團隊通過調控外殼層氮含量，發現隨著外殼層氮含量的增加，丙烯選擇性相應增加。DFT理論計算進一步表明Ru單原子形成能隨內殼層Ru-N配位數增加而降低，說明內殼層的氮物種對穩定Ru1位點具有重要作用。而外殼層的氮物種可以傳遞電子給Ru1中心，降低丙烯的吸附能，進而提高丙烯選擇性。因此，Ru單原子內外殼層氮物種的共同作用實現了該單原子催化劑丙烷高效脫氫生成丙烯。