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烯烴作為現(xiàn)代化工生產(chǎn)中高附加值化學(xué)品的關(guān)鍵原料，其高效制備對國民經(jīng)濟發(fā)展具有舉足輕重的影響。烷烴脫氫是目前直接制取烯烴的重要途徑之一，因其反應(yīng)路線簡單、原子經(jīng)濟性高而受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的烷烴脫氫工藝通常需要在極高的溫度下(>550°C)才能克服碳氫鍵(C-H)斷裂的巨大反應(yīng)能壘；而高溫條件不僅導(dǎo)致巨大的能源消耗，更易引發(fā)一系列包括碳碳(C-C)鍵斷裂、氫解反應(yīng)以及烴類聚合（積碳）等的副反應(yīng)。這些副反應(yīng)嚴重降低了目標(biāo)產(chǎn)物烯烴的選擇性，并導(dǎo)致催化劑快速燒結(jié)失活，大大縮短了其使用壽命。因此，如何設(shè)計出能夠在更低溫度下高效、穩(wěn)定運行的新型脫氫催化劑，同時提升催化劑自身的C-H鍵活化能力，是該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

　　近日，北京大學(xué)馬丁教授團隊與中國科學(xué)院金屬研究所、南洋理工大學(xué)合作，在《Nature Catalysis》發(fā)表了一項重要研究成果。他們成功開發(fā)出一種新型Ir₁Cu₁雙金屬催化劑（Ir₁Cu/ND@G），能夠在低溫條件下高效催化丁烷脫氫生成丁烯，并解決了催化劑易失活和再生困難的關(guān)鍵難題。

　　在450℃的反應(yīng)溫度下，該催化劑可使丁烷轉(zhuǎn)化率達到22%，對C4烯烴的選擇性高達98%，其本征活性（TOF值）達到2.45 s^-1，是單一 Ir 催化劑的6.3倍。顯著降低的反應(yīng)溫度有助于大幅減少能耗。

　　機理研究表明，Cu的引入使Ir原子呈富電子狀態(tài)，增強了對反應(yīng)物的吸附能力，顯著降低了C–H鍵活化的能壘。此外，該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的可再生性能：在“反應(yīng)-再生”循環(huán)中，Ir和Cu物種可發(fā)生可逆的“團聚-再分散”結(jié)構(gòu)變化，使其活性得以完全恢復(fù)，突破了高溫下原子分散催化劑易燒結(jié)失活的技術(shù)瓶頸。

　　圖1. Ir₁Cu/ND@G雙金屬催化劑的優(yōu)異反應(yīng)性能

　　本研究不僅為設(shè)計和開發(fā)高效、可再生的低溫烷烴脫氫催化劑提供了全新的理論指導(dǎo)和實驗依據(jù)，更通過解決傳統(tǒng)脫氫工藝中長期存在的原子利用率低、能耗高以及催化劑再生性差等核心難題，為推動綠色化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了積極影響。

　　中科院金屬研究所劉洪陽教授、南洋理工大學(xué)蔡祥濱博士和馬丁教授為本文通訊作者。中科院金屬研究所陳曉雯研究員、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生王茂林、寧夏大學(xué)何育榮教授為本文共同第一作者。本工作獲得國家自然科學(xué)基金、騰訊基金會科學(xué)探索獎、新基石研究員項目、北京分子科學(xué)國家研究中心等資助。

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01328-3