環(huán)境條件下微通道反應器中丙烷的高效轉(zhuǎn)化
丙烷的氧化脫氫主要來源于頁巖氣，有望滿足全球?qū)Ρ┘ぴ龅男枨?。然而，由于使用混合丙烷和氧氣，該過程需要高操作溫度，這加劇了其應用中的安全問題。此外，這些升高的溫度可能會增加過度氧化的風險，導致二氧化碳的形成。在這里，我們介紹了一種微通道反應系統(tǒng)，該系統(tǒng)專為丙烷在水性環(huán)境中的氧化脫氫而設計，能夠在室溫和環(huán)境壓力下實現(xiàn)高度選擇性和活性的丙烯生產(chǎn)，同時降低安全風險。同時實現(xiàn)了超過92%的丙烯選擇性和19.57 mmol mCu?2 h?1的生產(chǎn)率。這種卓越的性能源于原位創(chuàng)建了一個高活性、含氧的銅催化表面用于丙烷活化，以及通過使用定制的T型結(jié)微裝置建立氣液泰勒流，通過擴大氣液界面面積和減少擴散路徑來增強丙烷轉(zhuǎn)移。這種微通道反應系統(tǒng)提供了一種有吸引力的方法來加速受氣態(tài)反應物溶解度限制的氣液固反應。
丙烯（C3H6）是石化工業(yè)中的重要原料，其主要生產(chǎn)方法是蒸汽裂解和流化催化裂化（FCC）。然而，隨著全球?qū)Ρ┬枨蟮牟粩嘣鲩L，這些傳統(tǒng)方法正在被拉伸。利用頁巖氣中豐富的丙烷，開發(fā)了丙烷（C3H8）脫氫（PDH）工藝，以彌合這一供需缺口。然而，PDH工藝存在一些缺點，包括其吸熱性質(zhì)需要大量的能量輸入，以及由于結(jié)焦導致的催化劑快速失活。丙烷氧化脫氫（ODHP）是一種有吸引力的替代方案。這個過程是放熱的，使其能夠在較低的溫度下運行，并減少能源需求。此外，ODHP中氧氣（O2）的存在抑制了催化劑上焦炭的形成，從而延長了催化劑的壽命。ODHP的一個核心研究主題是開發(fā)用于丙烯形成的高選擇性催化體系，同時抑制其連續(xù)過氧化形成二氧化碳（CO2）。在典型的實驗條件下（400-500°C和1 atm），使用傳統(tǒng)金屬氧化物催化劑（如釩基和鉻基材料）的ODHP工藝中丙烯的典型選擇性小于70%。最近，有報道稱，含硼材料，包括負載型氧化硼、六方氮化硼和摻硼沸石，可以在ODHP工藝中選擇性地生產(chǎn)丙烯，同時抑制CO2的形成。建議通過自由基機制在硼基反應位點激活烷烴，這通常需要超過500°C的溫度才能達到相當大的速率。高操作溫度未能充分發(fā)揮ODHP中強大的熱力學驅(qū)動力，并提高了羥基化硼中心的流動性，導致催化劑失活。此外，使用烷烴和氧氣混合物的高溫反應存在安全風險，尤其是在大規(guī)模時。
解決ODHP挑戰(zhàn)的關鍵在于開發(fā)高效的反應系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在低溫（如<200°C）下實現(xiàn)丙烯生產(chǎn)的高選擇性和活性。我們最近發(fā)現(xiàn)了一種水性反應系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用銅（Cu）粉末作為催化劑，氧氣作為氧化劑，證明了在室溫和環(huán)境壓力下以可觀的速率活化輕質(zhì)烷烴的能力。值得注意的是，使用間歇反應器，丙烷可以轉(zhuǎn)化為丙烯，選擇性高達94%，生產(chǎn)率為0.71 mmol mCu?2 h?1。然而，由于丙烷在水溶液中的低溶解度（~1.1 mmol L?1），其傳質(zhì)效率低下，阻礙了實際實施中反應效率的進一步提高，并使動力學分析復雜化，難以理解機理。此外，使用C3H8和O2混合物在操作中仍然存在安全風險。
在此，我們報告了一種微流體反應系統(tǒng)，其中Cu微管同時用作催化劑和微通道反應器，以同時解決傳質(zhì)效率低和安全風險的問題，與間歇反應器相比，反應性提高了27倍，同時保持了92%以上的丙烯選擇性。我們使用定制的T型結(jié)微型裝置將氣態(tài)反應物（C3H8+O2）分散到硫酸（H2SO4）溶液中，在進入銅微管之前形成氣液泰勒流。高速相機成像輔助的流型分析揭示了傳質(zhì)的顯著增強，這可歸因于氣液界面面積的增加和反應氣體到達銅表面的擴散路徑的縮短。重要的是，我們的系統(tǒng)還減輕了與C3H8+O2混合物相關的潛在爆炸風險，因為氣態(tài)混合物被水溶液塞分割成毫米級的小部分。我們進行了動力學研究，以確定反應級數(shù)和表觀活化能。還進行了密度泛函理論（DFT）計算，以探索導致丙烯和其他次要產(chǎn)物（即正/異丙醇）形成的反應途徑。我們的微流體系統(tǒng)在室溫和環(huán)境壓力下從丙烷生產(chǎn)丙烯方面表現(xiàn)出高選擇性和活性。這種方法為提高其他氣液固多相反應的反應性提供了一條有前景的途徑，特別是那些受到氣態(tài)反應物在液體介質(zhì)中低溶解度阻礙的反應，例如使用H2和O2合成H2O2，使用O2進行有氧醇氧化，以及CO2、O2和N2在金屬催化劑表面上的電化學轉(zhuǎn)化。
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審核編輯 黃宇