烯烴作為一種重要的有機物單體原料，與人類的日常生產和生活密切相關。例如，乙烯、丙烯和苯乙烯等被廣泛用于各種工程塑料、橡膠、樹脂的合成中。工業上苯乙烯主要是在過量過熱水蒸氣的保護下，由鉀促進的氧化鐵催化劑催化乙苯脫氫制得。這種傳統的生產方法需要消耗大量的能源和水資源，不利于綠色經濟的發展。因此，探索和研制新型的催化材料并降低反應能耗一直是工業脫氫領域研究的重點。

　　MXene作為一種新型的過渡金屬碳化物二維晶體，具有和石墨烯類似的結構。它可以通過氫氟酸刻蝕層狀陶瓷材料MAX相獲得，具有優異的力學、電子、磁學等性能，主要被用于電化學儲能，復合材料增強、潤滑、電磁屏蔽等領域的研究。

　　近日，金屬所催化材料研究部劉洪陽副研究員和刁江勇博士等人組成的低碳烷烴活化研究小組與李波副研究員、王曉輝研究員合作，將Ti₃C₂T_xMXene材料用于乙苯脫氫制苯乙烯反應中，發現單位比表面積的MXene材料的乙苯脫氫活性達到了92 mol m^-2 h^-1，苯乙烯選擇性達到了97.5%，要遠高于目前已知的高活性非金屬脫氫催化劑，并且表現出優異的高溫穩定性。通過多種表征手段和第一性原理計算，發現該反應以刻蝕過程中產生的C-Ti-O官能團作為脫氫活性位，依次脫去乙苯分子中乙基上的兩個氫原子而得到苯乙烯。同時，MXene材料的層狀結構也有利于反應過程中的傳熱和傳質，從而使該催化劑具有較高的比活性和穩定性。

　　該項工作是首次將MXene材料用作烷烴脫氫反應的催化劑，并成功揭示了該催化劑催化烷烴脫氫的活性位和反應路徑，從而為工業烷烴脫氫催化劑的開發提供了新的選擇。該成果于近日發表在ACS Catalysis（IF=11.3）。

　　該項工作得到了國家基金委青年基金、國家基金委面上項目、國家基金委“碳基能源轉化”重大研究計劃培育項目、科技部重點研發計劃“納米專項”青年科學家項目、中科院青年促進會、中科院金屬所以及中石化企業項目的支持。

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圖1 Ti₃C₂T_xMXene的制備過程及其形貌示意圖

圖2 Ti₃C₂T_xMXene的乙苯脫氫活性測試

圖3 Ti₃C₂T_xMXene催化乙苯脫氫的反應途徑