金属氧化物催化剂因其表面性质可根据金属配位环境或氧化还原性质进行调节，在乙烷选择性氧化脱氢（ODH）反应中得到了广泛的研究。金属氧化物催化低碳烷烃ODH通常遵循氧化还原催化循环，晶格氧的释放和恢复对催化性能起着关键作用。而制备还原性有限的金属氧化物仍然是一个挑战，例如TiO₂，在这一过程中是主要的活性成分，而不是作为载体或改性剂。

基于此，中科院大连化物所王晓东研究员，林坚研究员报道了一种由Ti₃C₂T_x MXene前驱体演化而来的具有P25相的层状富缺陷TiO₂（M-TiO₂）。这是一种新型高效的乙烷ODH催化剂。

文章要点

1）研究人员首先将5 g的Ti₃AlC₂ MAX粉末缓慢加入100 mL 40%氢氟酸（HF）中，在35 °C连续磁力搅拌24 h，然后用超纯H₂O₂在3500 rpm下离心多次，直到pH>6，然后收集粘土状沉淀物，并将其重新分散在400 mL氢氧化铵中。悬浮液在超声作用1 h后进一步分层。然后，将悬浮液在3500 rpm下离心1 h，然后对沉淀物进行真空冷冻干燥，得到Ti₃C₂T_x MXenes的层状结构。以MXene为原料，在600 °C下反应2h，制得M-TiO₂催化剂。

2）与工业P25催化剂相比，M-TiO₂催化剂的乙烷转化率和乙烯收率提高了4倍以上。与以往报道的催化剂相比，具有更高的乙烯产率和良好的稳定性。

3）各种表征结果表明，与空气气氛下还原的P25和MXene生成的TiO₂相比，M-TiO₂催化剂具有丰富的Ti和氧空位缺陷。在苛刻的反应条件下，Ti空位可以稳定缺陷结构，增加TiO₂的还原性，降低乙烷的活化能垒。此外，氧空位可以促进氧的活化和晶格氧物种在反应中的循环。因此，具有Ti和氧空位缺陷的M-TiO₂在乙烷的ODH反应中表现出优异的性能。

这项工作突出了阳离子空位缺陷对改变金属氧化物氧化还原能力的重要性，为通过缺陷工程设计具有意想不到的性能的传统金属氧化物提供了深刻的见解。

参考文献

Yanliang Zhou, et al, Defect-Rich TiO₂ In SituEvolved from MXene for the Enhanced Oxidative Dehydrogenation of Ethane to Ethylene, ACS Catal.2021

DOI：10.1021/acscatal.1c04409

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c04409