Insights into the Nature of Selective Nickel Sites on Ni/Al2O3 Catalysts for Propane Dehydrogenation

脱氢 催化作用 丙烷 X射线吸收光谱法 选择性 漫反射红外傅里叶变换 丙烯 材料科学 无机化学 化学 光化学 吸收光谱法 有机化学 光催化 物理 量子力学
作者
Rui Ma,Junxian Gao,Jiajing Kou,David P. Dean,Christian J. Breckner,Kaijun Liang,Bo Zhou,Jeffrey T. Miller,Guojun Zou
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (20): 12607-12616 被引量:73
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c03240
摘要

Nickel has been considered a promising nonprecious metal for propane dehydrogenation (PDH) because of its appealing ability to activate alkane molecules; however, synthesis of selective and stable Ni sites remains a challenge. Herein, we describe an alumina-supported isolated Ni(II) site by settling Ni2+ cations into Al3+ vacancy on γ-Al2O3 as a selective and stable Ni-based catalyst for PDH. Based on the results from combined characterizations, including in situ X-ray adsorption spectroscopy (XAS), scanning transmission electron microscopy (STEM), and in situ diffuse reflectance infrared Fourier-transform spectroscopy (DRIFTS), atomically dispersed Ni(II) sites with bonding to oxygen ions from the alumina support are demonstrated. PDH catalyst tests shows that the Ni(II) single-site catalyst delivers superior performance compared to a supported metallic Ni NP catalyst, possessing >93% propylene selectivity at considerable propane conversions (15–45%), which surpasses Ni nanoparticle (NP) catalysts. The correlation of selectivity to propylene on different Ni structures with the structural characterizations suggest that the coordinatively unsaturated tetrahedral Ni(II) sites facilitate the desorption of propylene, which inhibits the side reactions for coking. Moreover, the atomically dispersed Ni(II) sites remain in its local structure in the reaction-regeneration cycles, as evidenced by in situ XAS. This study on alumina-supported nickel catalysts affords insights into the nature of selective and stable nickel sites involved in the PDH reaction.
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