在化工生产中，丙烷转化为苯、甲苯等芳烃的反应常陷入“两难”——要么转化率低，要么副产物多。我国科研团队开发的PtFe@S-1&1.0Zn/ZSM-5串联催化剂，通过锌（Zn）物种“引导”反应路径，使芳烃选择性从30%跃升至60%，丙烷转化率达78%，且500分钟反应后性能稳定。这项研究为页岩气资源高效转化提供了新思路，相关成果发表于《Frontiers of Chemical Science and Engineering》。

页岩气利用的“拦路虎”：传统催化剂“偏爱”副反应

随着页岩气开采技术的突破，丙烷作为储量丰富的低碳烷烃，有望替代石油成为芳烃的新原料。但丙烷脱氢芳构化（PDA）反应是一场“精密的化学接力”：丙烷需先脱氢生成丙烯，再经聚合、环化、脱氢最终形成芳烃。传统催化剂却像“粗心的接力队员”：ZSM-5分子筛虽能促进环化，但强酸位点会“剪断”长链烯烃（C6=中间体），生成甲烷、乙烷等副产物（占比超40%）；金属催化剂脱氢活性高，却缺乏环化能力，导致芳烃选择性不足30%。如何让催化剂“专注”芳烃生成？这成为制约PDA技术工业化的关键瓶颈。

Zn“导航”反应路径：从“剪断”到“环化”的转变

大连理工大学与中石化团队设计了“双功能协作”方案：PtFe@S-1负责“第一棒”脱氢，其封装的1.5纳米PtFe合金颗粒能高效将丙烷转化为丙烯；1.0Zn/ZSM-5则作为“第二棒”的“导航员”，通过Zn物种调控酸强度，抑制副反应。

Zn的“导航”奥秘在于改变ZSM-5的“酸性脾气”。实验显示，纯ZSM-5的强酸位点易导致C6=中间体断裂，而Zn通过两种方式“降温”：一是将强Brønsted酸转化为弱Lewis酸（ZnOH+物种），使酸强度降低；二是提高C6=中间体裂解的能垒（从1.87 eV升至2.38 eV）。就像给“副反应岔路”装上“减速带”，让反应更易沿“芳构化主路”进行。

实验室验证：转化率78%，副产物减少一半

在550℃、常压条件下，粉末混合的串联催化剂表现最优：丙烷初始转化率达78%，500分钟后仍保持73%；芳烃选择性稳定在60%，是无Zn催化剂的两倍；裂解副产物（C1-C2）从40%降至24%。更重要的是，产物中BTX芳烃占比超93%，重芳烃（C9+）仅5.5%，有效缓解催化剂积碳失活问题。

对比不同Zn含量发现，1.0 wt%是“黄金比例”：Zn太少（0.5%）则酸调节不足，副产物仍达23.5%；Zn过多（2.0%）会减少活性位点，导致转化率跌至64%。

应用前景：页岩气制芳烃的“绿色钥匙”

该研究首次明确了Zn物种在PDA反应中的“结构-活性关系”，为设计高效催化剂提供了普适性指导。未来，通过优化Zn含量和催化剂耦合方式，有望进一步降低工业成本，推动页岩气资源转化为高附加值化学品。

来源: 化学工程前沿FCSE