丙烷和丁烷气固相催化脱氢制烯烃

催化脱氢是将低碳烷烃转化为同碳数单烯烃和氢气的有效途径.本文介绍了国内外近年来丙烷、丁烷气固相催化脱氢制烯烃在反应机理、催化剂和反应器等方面的研究进展.催化脱氢制烯烃是转化率受热力学平衡限制的较强的吸热反应,反应和产物的分离都需要消耗大量的能量,优化操作条件,在保证脱氢选择性和装置长周期安全稳定运行的前提下,尽可能提高烷烃的单程转化率,是降低整个过程能耗的关键.在烷烃脱氢反应过程中,一个烷烃分子相邻两个C上的两个H原子同时吸附在同一个活性位上,活性位将两者拉近并相互吸引形成H_2,是导致C–H键断裂和烯烃形成的决定性因素,形成的烯烃直接进入气相.催化剂方面,负载型Pt和CrOx催化剂已得到广泛应用,本文介绍了其制备方法、活性组分的存在形态、载体和助剂、催化剂的失活与再生、以及使用中需要注意的问题;此外,还讨论了新近报道的负载型Ni、NiSn和Sn催化剂,Ga_2O_3/ZnO、ZnO/Nb_2O_5、其他混合和/或复合氧化物催化剂,以及金属硫化物催化剂的性能特点.反应器方面,固定床、移动床和循环流化床均有应用,其中循环流化床可实现连续反应再生、高温再生剂可高效为吸热的脱氢反应供热,是最适合烷烃脱氢的反应器.以"环保型金属氧化物催化剂+并流循环流化床反应器"为核心的ADHO烷烃脱氢技术,有望为企业提供一种新的高效、低耗的技术选择.     

低碳烷烃氧化脱氢制烯烃非金属催化体系研究进展

低碳烯烃是化学工业的重要原料,通过脱氢反应将低碳烷烃转化为同碳数的烯烃是烷烃高值化利用和烯烃原料多元化的重要途径.烷烃氧化脱氢制烯烃的反应具有不受反应平衡限制、无积炭、反应温度低等优点,一直是研究的热点.传统的金属氧化物具有较好的催化剂活性,但容易造成烯烃的过度氧化而导致烯烃选择性低.硼基催化剂作为一种新型非金属催化剂,表现出显著不同于金属氧化物催化剂的反应特性.六方氮化硼(hBN)被首次报道在丙烷氧化脱氢反应展现高活性,随后系列硼化物(SiB_6、CB_4等)以及负载型硼基催化剂相续被报道.硼催化剂显现出高的催化活性和优异的烯烃选择性,产物中几乎没有完全氧化产物CO2生成,这为选择性断裂C-H键开辟了新路径.大量的谱学以及动力学研究表明催化剂表面BOx物种为催化剂的活性位点.这种打破传统认知的非金属催化剂的催化作用在国际上已经形成一个新的研究热点.此外,非金属炭基催化剂在烷烃氧化脱氢反应中也表现出一定的活性,碳纳米管、碳纳米纤维以及纳米金刚石等炭基催化剂均被用于氧化脱氢反应.炭基催化剂中的羰/醌基被认为是催化活性位;催化剂表面的羧酸、酸酐、内酯等官能团易引起选择性的下降,通过杂原子(B、P、N)掺杂可调变催化剂表面的亲电氧物种,改善烯烃的选择性.本文主要综述了近年来非金属催化低碳烷烃氧化脱氢所涉及的催化剂体系、反应机理等研究进展,最后展望了不同催化剂体系应用于烷烃氧化脱氢反应的未来发展.     

氮化硼催化低碳烷烃氧化脱氢的活性起源探讨（英文）

页岩气的急速开采推动了以天然气替代石油的资源革命.除主组分甲烷外,天然气、页岩气中还包含大量乙烷、丙烷等低碳烷烃资源,将这些储量丰富的碳资源直接转化为烯烃等基础化学品有望革新以原油为基础的化学工业.现有烷烃催化脱氢制烯烃工艺中,直接脱氢过程吸热、热力学受限,且存在催化剂迅速失活的难题;而氧化脱氢是放热过程、无平衡限制,也无积碳等引发催化剂失活的问题,有利于提高反应效率、降低能耗,代表了更为高效和经济的新路线.但作为一个热力学爬坡过程,目前金属氧化物催化剂上烯烃产物很容易深度氧化到CO_2,选择性仍有待提高.非金属氮化硼能够有效活化低碳烷烃中的C-H键,促进烷烃氧化脱氢,并能够有效抑制深度氧化产物的生成,解决低碳烷烃临氧脱氢过程中产物易深度氧化的固有难题.本文综述了近期氮化硼在乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃氧化脱氢制烯烃反应中的研究进展.以丙烷氧化脱氢为例,通过比较文献报道的几种氮化硼材料的氧化脱氢性能,发现羟基化氮化硼显示了最高的烯烃选择性和时空收率,以20.6%的丙烷转化率为基准,烯烃选择性超过90%,而时空收率可达6.8 golefin gcat~(-1) h~(-1).在此基础上,本文重点讨论了对于氮化硼材料催化活性起源的认识.主要实验事实和结论包括:氮化硼自身几乎没有氧化脱氢活性,而在烷烃氧化脱氢反应条件下存在活性诱导期;活性诱导期伴随着氮化硼边沿氧官能团化过程;氮化硼边沿B-O官能团没有脱氢活性,而B-OH官能团参与了氧化脱氢过程,辅助分子氧引发低碳烷烃脱氢反应;分子氧在羟基氮化硼边沿解离活化,反应过程中与边沿结构氧存在动态交换;氮化硼边沿羟基化定向合成过程可显著增强氧化脱氢反应活性.氮化硼作为一类新型烷烃氧化脱氢催化剂,目前正处于研究的初始阶段.因此,本文最后总结了一些关于氮化硼烷烃脱氢催化体系仍需深入研究的科学问题.     

静电纺丝法制备硼掺杂氧化硅纳米纤维用于低碳烷烃氧化脱氢制烯烃

乙烯和丙烯等低碳烯烃是重要的基础有机化工产品,广泛应用于化工生产的各个领域.相比于其他工艺,低碳烷烃氧化脱氢制烯烃工艺具有不受热力学平衡限制、无积炭等特点而被广泛研究.近年发现六方氮化硼(h-BN)、硼化硅(SiB6)和磷酸硼(BPO4)等非金属硼基催化剂能够高效催化烷烃氧化脱氢反应,并抑制产物烯烃的过度氧化,表现出高的催化活性和烯烃选择性.大量的研究表明,硼基催化剂活性起源于催化剂表面的"BO"物种(如B-O和B-OH等基团).氧化硼(B2O3)作为一种氧化气氛中化学性质稳定的含硼化合物,兼具丰富的"BO"位点,在反应条件下可形成多种结构以适用不同的化学环境,为制备高效的烷烃氧化脱氢催化剂提供了可能.在之前的研究中,多将B2O3浸渍在常规的TiO2,SiO2,A12O3等三维多孔载体上用于氧化脱氢反应.考虑到B2O3结构的灵活性和易于成键特性,需开发更为有效的合成策略,以提升B2O3催化剂在氧化脱氢反应中的活性和稳定性.本文采用静电纺丝技术合成了直径为100～150 nm的多孔掺硼二氧化硅纳米纤维(PBSN)用于低碳烷烃氧化脱氢反应.静电纺丝法合成的催化剂中硼物种在开放的氧化硅纤维骨架上均匀分散且稳定固载.一维纳米纤维结构不仅有利于扩散,且赋予催化剂在高重时空速(WHSV)条件下优异的烷烃氧化脱氢反应活性.在乙烷氧化脱氢反应中,当乙烷的转化率达到44.3％时,乙烯的选择性和产率分别为84％和44.2 μmol gcat-1 s-1.而在丙烷脱氢反应中,当丙烷转化率为19.2％时,总烯烃选择性及丙烯产率分别为90％和76.6 μmol gcat-1 s-1.在温度为545 ℃,丙烷WHSV高达84.6 h-1的条件下,催化剂保持长时间稳定.与其他负载型氧化硼催化剂相比,PBSN催化剂具有更高的烯烃选择性和稳定性.研究表明,在氧化硅负载B2O3催化剂催化丙烷氧化脱氢反应中,载体中Si-OH基团的存在可能会降低丙烯的选择性.瞬态分析和动力学实验表明,硼基催化剂催化烷烃氧化脱氢反应过程中O2的活化受到烷烃的影响.本文不仅为高效硼基催化剂的合成提供了新思路,也为深入理解该类催化剂上烷烃氧化脱氢反应过程提供了实验支撑.     

静电纺丝法制备硼掺杂氧化硅纳米纤维用于低碳烷烃氧化脱氢制烯烃（英文）

乙烯和丙烯等低碳烯烃是重要的基础有机化工产品,广泛应用于化工生产的各个领域.相比于其他工艺,低碳烷烃氧化脱氢制烯烃工艺具有不受热力学平衡限制、无积炭等特点而被广泛研究.近年发现六方氮化硼(h-BN)、硼化硅(SiB_6)和磷酸硼(BPO_4)等非金属硼基催化剂能够高效催化烷烃氧化脱氢反应,并抑制产物烯烃的过度氧化,表现出高的催化活性和烯烃选择性.大量的研究表明,硼基催化剂活性起源于催化剂表面的"BO"物种(如B–O和B–OH等基团).氧化硼(B_2O_3)作为一种氧化气氛中化学性质稳定的含硼化合物,兼具丰富的"BO"位点,在反应条件下可形成多种结构以适用不同的化学环境,为制备高效的烷烃氧化脱氢催化剂提供了可能.在之前的研究中,多将B_2O_3浸渍在常规的TiO_2,SiO_2,Al_2O_3等三维多孔载体上用于氧化脱氢反应.考虑到B_2O_3结构的灵活性和易于成键特性,需开发更为有效的合成策略,以提升B_2O_3催化剂在氧化脱氢反应中的活性和稳定性.本文采用静电纺丝技术合成了直径为100～150 nm的多孔掺硼二氧化硅纳米纤维(PBSN)用于低碳烷烃氧化脱氢反应.静电纺丝法合成的催化剂中硼物种在开放的氧化硅纤维骨架上均匀分散且稳定固载.一维纳米纤维结构不仅有利于扩散,且赋予催化剂在高重时空速(WHSV)条件下优异的烷烃氧化脱氢反应活性.在乙烷氧化脱氢反应中,当乙烷的转化率达到44.3%时,乙烯的选择性和产率分别为84%和44.2μmol g_(cat)~(-1)s~(-1).而在丙烷脱氢反应中,当丙烷转化率为19.2%时,总烯烃选择性及丙烯产率分别为90%和76.6μmol g_(cat)~(-1)s~(-1).在温度为545℃,丙烷WHSV高达84.6 h~(-1)的条件下,催化剂保持长时间稳定.与其他负载型氧化硼催化剂相比,PBSN催化剂具有更高的烯烃选择性和稳定性.研究表明,在氧化硅负载B_2O_3催化剂催化丙烷氧化脱氢反应中,载体中Si–OH基团的存在可能会降低丙烯的选择性.瞬态分析和动力学实验表明,硼基催化剂催化烷烃氧化脱氢反应过程中O_2的活化受到烷烃的影响.本文不仅为高效硼基催化剂的合成提供了新思路,也为深入理解该类催化剂上烷烃氧化脱氢反应过程提供了实验支撑.     

六方氮化硼催化的乙烷丙烷共脱氢:一种C–H键活化和机理研究的有效手段（英文）

乙烯、丙烯等低碳烯烃是化学工业重要的原料.目前工业化的低碳烷烃脱氢制烯烃技术均为直接脱氢技术,例如基于Pt-Sn催化剂的Oleflex工艺以及基于CrO_x的Catofin工艺.相对于直接脱氢,氧化脱氢具有不受热力学限制和避免积碳生成的优点.然而,传统的氧化脱氢催化剂(例如VO_x)难以抑制深度氧化副反应的发生,因而使目标产物烯烃的收率受到抑制.近年来,六方氮化硼(h-BN)对低碳烷烃氧化脱氢过程表现出的高催化活性以及高烯烃选择性,受到了国内外研究者的广泛关注.同时, h-BN在烷烃反应级数以及表观活化能等方面表现出明显不同于其他烷烃脱氢催化剂的性质.研究表明,气相自由基反应对h-BN的催化活性具有重要贡献.但是,烷烃表观反应级数为2这一现象始终没有得到较好的解释.本文针对该问题展开了探索.本文以乙烷和丙烷的混合烷烃作为反应物,研究h-BN催化的氧化脱氢过程.结果表明,丙烷的存在可以显著促进乙烷脱氢转化的速率,在580oC下,少量丙烷的引入可以使乙烷的转化率提高47%.同时,固定乙烷分压不变时,乙烷氧化脱氢速率对丙烷分压的表观反应级数为1.这说明...     

碳催化剂用于异丁烷直接脱氢制异丁烯

异丁烯用途广泛,被认为是除乙烯和丙烯外最重要的基础化工原料.异丁烯的来源主要是石油裂化过程中产生的碳四馏分,但随着对其需求量的逐年增加,分离法已逐渐无法满足,因此异丁烷直接脱氢工艺逐渐受到工业界和学术界的重视.铬系和铂系催化剂是两类传统工业催化体系,但铬对环境污染严重,铂作为贵金属成本较高,而且现有工艺大多存在催化剂稳定性较差需要反复再生的问题.近年来碳材料用于烷烃氧化脱氢反应的研究较多,并表现出较高的活性和稳定性,甚至有研究组提出金属催化剂在反应中快速生成的活性积碳(active coke)可能是真正的催化活性中心.但氧化脱氢反应不同于直接脱氢,需在反应中加入氧气,这在实际生产中会带来一系列问题：考虑到烷烃的爆炸极限,实际应用时反应气必须稀释,这不利于产物的收集;而且氧气会导致反应物过度氧化产生CO和CO2等副产物,也限制了氧化脱氢工艺在工业上的应用和发展.
　　我们研究组将椰壳碳、煤质碳和碳纳米管等碳材料作为催化剂用于催化异丁烷直接脱氢反应,发现碳催化剂表现出较高的催化活性：在625 oC,椰壳碳上异丁烷转化率和异丁烯选择性分别为70%和78%,连续反应3d后仍能维持34%的转化率,且选择性基本不变.与铬基催化剂相比,碳催化剂在稳定性方面表现出更大优势.我们进一步采用N2吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等手段对反应前后的碳催化剂进行了详细表征. N2吸脱附结果表明,椰壳碳比表面积高达1190.2 m2/g,这可能是其具有较高催化活性的原因;而结合催化剂活性数据,对比反应前后椰壳碳催化剂比表面积和异丁烷转化率可知,两者呈现近乎线性的相关性,进一步证实比表面积大小对碳催化剂催化活性有重要影响. XPS谱图证明椰壳碳在反应前表面除了有少量硅(0.73%)外,不存在金属氧化物等杂质,证实碳材料无需负载氧化物等即可表现出较高的催化活性;反应后沉积的积碳附着在催化剂表面,使硅含量降低至0.47%;催化剂中氧含量也由4.43%降低至3.78%,同时有碳酸盐生成. FTIR谱图进一步证实反应前的椰壳碳表面有丰富的有机官能团,但反应开始后有机官能团很快消失,而催化剂仍保持较高的催化活性,因此有机官能团并非碳催化剂催化活性高的必要因素,这与文献中已报道的结果不同. FE-SEM照片中观察到反应后椰壳碳催化剂表面形成积碳,随着反应时间延长积碳明显增多,这与XPS结果一致.
　　碳材料具有来源广泛、绿色环保等显著优势,可作为一种新的催化体系应用于异丁烷直接脱氢反应,无需负载其他物质或添加氧化性气体即可表现出良好的催化活性和稳定性,其比表面积对催化活性有重要影响,反应中产生的积碳导致催化剂比表面积下降进而降低其催化活性,而有机官能团的存在对催化活性影响不大.     

碳催化剂用于异丁烷直接脱氢制异丁烯（英文）

异丁烯用途广泛,被认为是除乙烯和丙烯外最重要的基础化工原料.异丁烯的来源主要是石油裂化过程中产生的碳四馏分,但随着对其需求量的逐年增加,分离法已逐渐无法满足,因此异丁烷直接脱氢工艺逐渐受到工业界和学术界的重视.铬系和铂系催化剂是两类传统工业催化体系,但铬对环境污染严重,铂作为贵金属成本较高,而且现有工艺大多存在催化剂稳定性较差需要反复再生的问题.近年来碳材料用于烷烃氧化脱氢反应的研究较多,并表现出较高的活性和稳定性,甚至有研究组提出金属催化剂在反应中快速生成的活性积碳(active coke)可能是真正的催化活性中心.但氧化脱氢反应不同于直接脱氢,需在反应中加入氧气,这在实际生产中会带来一系列问题:考虑到烷烃的爆炸极限,实际应用时反应气必须稀释,这不利于产物的收集;而且氧气会导致反应物过度氧化产生CO和CO2等副产物,也限制了氧化脱氢工艺在工业上的应用和发展.我们研究组将椰壳碳、煤质碳和碳纳米管等碳材料作为催化剂用于催化异丁烷直接脱氢反应,发现碳催化剂表现出较高的催化活性:在625o C,椰壳碳上异丁烷转化率和异丁烯选择性分别为70%和78%,连续反应3d后仍能维持34%的转化率,且选择性基本不变.与铬基催化剂相比,碳催化剂在稳定性方面表现出更大优势.我们进一步采用N2吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等手段对反应前后的碳催化剂进行了详细表征.N2吸脱附结果表明,椰壳碳比表面积高达1190.2 m2/g,这可能是其具有较高催化活性的原因;而结合催化剂活性数据,对比反应前后椰壳碳催化剂比表面积和异丁烷转化率可知,两者呈现近乎线性的相关性,进一步证实比表面积大小对碳催化剂催化活性有重要影响.XPS谱图证明椰壳碳在反应前表面除了有少量硅(0.73%)外,不存在金属氧化物等杂质,证实碳材料无需负载氧化物等即可表现出较高的催化活性;反应后沉积的积碳附着在催化剂表面,使硅含量降低至0.47%;催化剂中氧含量也由4.43%降低至3.78%,同时有碳酸盐生成.FTIR谱图进一步证实反应前的椰壳碳表面有丰富的有机官能团,但反应开始后有机官能团很快消失,而催化剂仍保持较高的催化活性,因此有机官能团并非碳催化剂催化活性高的必要因素,这与文献中已报道的结果不同.FE-SEM照片中观察到反应后椰壳碳催化剂表面形成积碳,随着反应时间延长积碳明显增多,这与XPS结果一致.碳材料具有来源广泛、绿色环保等显著优势,可作为一种新的催化体系应用于异丁烷直接脱氢反应,无需负载其他物质或添加氧化性气体即可表现出良好的催化活性和稳定性,其比表面积对催化活性有重要影响,反应中产生的积碳导致催化剂比表面积下降进而降低其催化活性,而有机官能团的存在对催化活性影响不大.     

碳催化剂在催化反应中的应用

由于碳材料表面存在缺陷,可生成具有不同性能的活性位,因此可催化不同的热催化反应.我们首先介绍了单质碳材料的表面结构化学:其表面活性位主要为含杂原子官能团;然后对其可催化的反应进行了介绍:碳单质材料可催化选择性氧化反应、高级氧化反应、还原反应、烷烃活化反应、酸催化反应、电催化还原和氧化反应等.对碳单质催化剂的制备方法、所...     

非金属有序大孔磷酸硼晶体合成及催化丙烷氧化脱氢反应性能（英文）

有序大孔材料具有大的比表面积和有序开放的立体孔道结构,有利于暴露更多的活性位点,促进传质扩散,从而提高催化活性.目前,已有报道的有序大孔材料包括金属及氧化物、氧化硅、炭、聚合物等.非金属含氧化合物具有耐氧化的结构特点,适合应用于高温氧化反应,但是体相非金属含氧化合物的比表面积低,并且孔道极不发达,因此亟需合成有利于传质的有序大孔非金属含氧化合物晶体材料.最近研究者发现,硼基催化剂在催化低碳烷烃氧化脱氢制烯烃反应中呈现出高的反应活性、选择性和稳定性,且我们发现B–O (B–OH)位点在硼基催化材料中起着至关重要的作用.三元非金属磷酸硼晶体由BO₄和PO₄四面体组成,具有优异的热稳定性和抗氧化性能,有可能适合于催化丙烷氧化脱氢制丙烯的反应.但制备磷酸硼晶体过程通常需要经过高温焙烧,从而导致产物结构密实、无孔、外表面积低.此外,丙烷氧化脱氢反应具有强放热特性,易在催化剂表面形成热点,引起烯烃产物的二次反应,降低目标产物选择性,因此解决传质传热问题尤为重要.如果能充分利用磷酸硼的高导热性,同时调控孔结构以改善传质,减少接触时间,则有望设计一种具有良好...     

Highly efficient VOx/SBA-15 mesoporous catalysts for oxidative dehydrogenation of propane

Highly dispersed vanadia species on SBA-15 mesoporous silica have been found to exhibit a highly efficient catalytic performance for the oxidative dehydrogenation (ODH) of propane to light olefins (propene + ethylene).     

Nitrogen,Phosphorus, and Sulfur Co‐Doped Hollow Carbon Shell as Superior Metal‐Free Catalyst for Selective Oxidation of Aromatic Alkanes

Metal‐free heteroatom‐doped carbocatalysts with a high surface area are desirable for catalytic reactions. In this study, we found an efficient strategy to prepare nitrogen, phosphorus, and sulfur co‐doped hollow carbon shells (denote as NPS‐HCS) with a surface area of 1020 m² g⁻¹. Using a poly(cyclotriphosphazene‐co‐4,4′‐sulfonyldiphenol) (PZS) shell as carbon source and N, P, S‐doping source, and the ZIF‐67 core as structural template as well as extra N‐doping source, NPS‐HCS were obtained with a high surface area and superhydrophilicity. All these features render the prepared NPS‐HCS a superior metal‐free carbocatalyst for the selective oxidation of aromatic alkanes in aqueous solution. This study provides a reliable and facile route to prepare doped carbocatalysts with enhanced catalytic properties.     

Nitrogen,Phosphorus, and Sulfur Co‐Doped Hollow Carbon Shell as Superior Metal‐Free Catalyst for Selective Oxidation of Aromatic Alkanes

Metal‐free heteroatom‐doped carbocatalysts with a high surface area are desirable for catalytic reactions. In this study, we found an efficient strategy to prepare nitrogen, phosphorus, and sulfur co‐doped hollow carbon shells (denote as NPS‐HCS) with a surface area of 1020 m² g^?1. Using a poly(cyclotriphosphazene‐co‐4,4′‐sulfonyldiphenol) (PZS) shell as carbon source and N, P, S‐doping source, and the ZIF‐67 core as structural template as well as extra N‐doping source, NPS‐HCS were obtained with a high surface area and superhydrophilicity. All these features render the prepared NPS‐HCS a superior metal‐free carbocatalyst for the selective oxidation of aromatic alkanes in aqueous solution. This study provides a reliable and facile route to prepare doped carbocatalysts with enhanced catalytic properties.     

Effect of the Nature of Coke-Forming Species on the Crystallographic Characteristics and Catalytic Properties of Metal–Filamentous Carbon Catalysts in the Selective Hydrogenation of 1,3-Butadiene

The particle morphology and surface structure of nickel metal in metal–filamentous carbon catalysts were found to depend on the nature of coke-forming species used in the synthesis of catalysts. Metal carbonization with hydrocarbons that are characterized by high thermodynamic stability results in the formation of well-cut metal particles the surface of which is formed by (110) facets. Selective hydrogenation reactions of diene and acetylene hydrocarbons to olefins are typical of these catalysts. In the catalytic decomposition of hydrocarbons with relatively low thermodynamic stability, metal particles become irregular in shape, and their surface is formed by (111) facets. In this case, the reactions of full hydrogenation of olefin, diene, and acetylene hydrocarbons to corresponding alkanes take place. These data are consistent with the found dependence of the catalytic properties of catalysts on the character of the exterior faceting of active metal particles.     

Explosive Decomposition of a Melamine–Cyanuric Acid Supramolecular Assembly for Fabricating Defect‐Rich Nitrogen‐Doped Carbon Nanotubes with Significantly Promoted Catalysis

A facile and scalable approach for fabricating structural defect‐rich nitrogen‐doped carbon nanotubes (MCSA‐CNTs) through explosive decomposition of melamine–cyanuric acid supramolecular assembly is presented. In comparison to pristine carbon nanotubes, MCSA‐CNT exhibits significantly enhanced catalytic performance in oxidant‐ and steam‐free direct dehydrogenation of ethylbenzene, demonstrating the potential for metal‐free clean and energy‐saving styrene production. This finding also opens a new horizon for preparing highly‐efficient carbocatalysts rich in structural defect sites for diverse transformations.     

B‐MWW Zeolite: The Case Against Single‐Site Catalysis

Boron‐containing materials have recently been identified as highly selective catalysts for the oxidative dehydrogenation (ODH) of alkanes to olefins. It has previously been demonstrated by several spectroscopic characterization techniques that the surface of these boron‐containing ODH catalysts oxidize and hydrolyze under reaction conditions, forming an amorphous B₂(OH)_xO_(3?x/2) (x=0–6) layer. Yet, the precise nature of the active site(s) remains elusive. In this Communication, we provide a detailed characterization of zeolite MCM‐22 isomorphously substituted with boron (B‐MWW). Using ¹¹B solid‐state NMR spectroscopy, we show that the majority of boron species in B‐MWW exist as isolated BO₃ units, fully incorporated into the zeolite framework. However, this material shows no catalytic activity for ODH of propane to propene. The catalytic inactivity of B‐MWW for ODH of propane falsifies the hypothesis that site‐isolated BO₃ units are the active site in boron‐based catalysts. This observation is at odds with other traditionally studied catalysts like vanadium‐based catalysts and provides an important piece of the mechanistic puzzle.     

Nitrogen and Phosphorus Dual‐Doped Hierarchical Porous Carbon Foams as Efficient Metal‐Free Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reactions

Despite tremendous progress in developing doped carbocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR), the ORR activity of current metal‐free carbocatalysts is still inferior to that of conventional Pt/C catalysts, especially in acidic media and neutral solution. Moreover, it also remains a challenge to develop an effective and scalable method for the synthesis of metal‐free carbocatalysts. Herein, we have developed nitrogen and phosphorus dual‐doped hierarchical porous carbon foams (HP‐NPCs) as efficient metal‐free electrocatalysts for ORR. The HP‐NPCs were prepared for the first time by copyrolyzing nitrogen‐ and phosphorus‐containing precursors and poly(vinyl alcohol)/polystyrene (PVA/PS) hydrogel composites as in situ templates. Remarkably, the resulting HP‐NPCs possess controllable nitrogen and phosphorus content, high surface area, and a hierarchical interconnected macro‐/mesoporous structure. In studying the effects of the HP‐NPCs on the ORR, we found that the as‐prepared HP‐NPC materials exhibited not only excellent catalytic activity for ORR in basic, neutral, and acidic media, but also much better tolerance for methanol oxidation and much higher stability than the commercial, state‐of‐the‐art Pt/C catalysts. Because of all these outstanding features, it is expected that the HP‐NPC material will be a very suitable catalyst for next‐generation fuel cells and lithium–air batteries. In addition, the novel synthetic method described here might be extended to the preparation of many other kinds of hierarchical porous carbon materials or porous carbon that contains metal oxide for wide applications including energy storage, catalysis, and electrocatalysis.     

Oxidative dehydrogenation of <Emphasis Type="Italic">n</Emphasis>-butane on nano-carbon catalysts having graphitic structures

The catalytic activity of well-nanostructured carbon, for example glassy carbon spheres, SWCNT, graphene, and graphite, has been demonstrated in the oxidative dehydrogenation (ODH) of butane to obtain olefins. The catalytic performance of the carbon samples was stable, with prolonged reaction time. The proportion of butenes in the product decreased as the reaction temperature increased, whereas selectivity for ethene and propene increased with increasing temperature. Pd-containing carbon nanofibers (CNF) had superior selectivity for butadiene formation than Pd free CNF catalyst. Carbon with graphitic structures was highly selective for propylene and butenes without severe combustion in ODH of butane.     

Carbocatalysis in Liquid‐Phase Reactions

There is broad interest in metal‐free catalysis for sustainable chemistry. Carbocatalysis is a “green” option for catalytic transformations in the gas phase as well as in the liquid phase. This is evident by the numerous reports on gas‐phase dehydrogenation and selective oxidation where carbon can be used as a successful alternative to metal oxide systems. Carbocatalysis for liquid‐phase reactions, especially for organic synthesis, is an emerging research discipline and has undergone rapid development in recent years. This Review provides a critical analysis on the state‐of‐the‐art of carbocatalysts for liquid‐phase reactions, with a focus on the underlying mechanisms as well as the advantages and limitations of metal‐free carbocatalysts.