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近日，浙江工业大学化学工程学院李小年教授、朱艺涵教授及田金树特聘教授团队在化学工程领域知名期刊AIChE Journal上发表了题为“Curved boron nitride surface enables active and stable propane oxidative dehydrogenation”的研究成果。李小年教授、朱艺涵教授与田金树特聘教授均为本文的通讯作者，博士研究生王驰与夏力炜为共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金及浙江省领雁计划等项目的支持。
第一作者：田金树，王驰，夏力炜
通讯作者：李小年，朱艺涵，田金树
通讯单位：浙江工业大学化学工程学院
导读
丙烯作为塑料、纤维等化工产品的核心原料，其高效绿色生产至关重要。丙烷氧化脱氢（ODHP）因反应放热、不易积碳，相比丙烷直接脱氢（PDH）避免了频繁的催化剂再生，是一条极具前景的工艺路线。在ODHP催化剂中，氮化硼凭借其高选择性备受关注，但其传统形态（如纳米片）在高温、富氧、含水汽的反应条件下易发生活性位点氧化与结构坍塌，导致快速失活，成为实用化瓶颈。现有通过金属修饰等“外部修补”方法往往以牺牲活性为代价，且可能引入副反应。因此，开发兼具高活性和本征稳定性的氮化硼催化剂，是当前该领域面临的关键挑战。
针对上述挑战，本研究成功开发了一种无需金属催化剂参与的“毫秒级热冲击法”，实现了二维氮化硼纳米片向三维多壁氮化硼纳米管的高效转化。该方法基于焦耳加热原理，在氨气氛中通过瞬时高温场（>950°C）与原位气体发泡的协同作用，驱使前驱体发生拓扑重构，在极短时间内（3 s）完成结构转变，经多次热循环后可获得高纯度、具有显著曲率的多壁氮化硼纳米管（记为h BN TS）。该工艺避免了传统湿化学法中金属催化剂引入的杂质与副反应，为高性能氮化硼催化材料的可控制备提供了新途径。
核心创新点
图 1. h BN TS的合成示意图
利用热冲击（thermal-shock）合成了h BN TS催化剂，在丙烷氧化脱氢反应中表现出优异的性能。并通过一系列实验表征和理论计算证明了与传统管式炉合成的片状BN（h BN TM）催化剂相比，h BN TS的优异催化性能归因于其表面的曲率变化。
图 2. h BN TS和h BN TM的微观结构表征图
冷场发射扫描电子显微镜（SEM）、高角度暗场环形扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等多种表征手段表明，所制备的h BN TS呈现典型的多壁纳米管形貌，具有清晰的层状管壁和1-2 nm的内径通道，其比表面积高达1027.6 m2·g-1。
图文解析
图 3. h BN TS和h BN TM在丙烷氧化脱氢反应中的性能评价
h BN TS催化性能测试中表现出优异的稳定性与活性：在丙烷氧化脱氢反应中，于520 ℃、高空速条件下（WHSV=18,000 mL g-1·h-1）循环反应100 小时后，仍保持20%的丙烷转化率与93%的烯烃总选择性，其活性衰减率较传统氮化硼纳米片催化剂降低约92%，展现出显著的结构与催化稳定性。
图 4. h BN TS和h BN TM的抗水及抗氧化性能研究
我们在模拟原位条件下对两种材料进行了抗氧化及抗水性能测试。O₂-TPO结果表明，h BN TS在600℃之前未检测到氮氧化物信号，h BN TM则出现明显的氮氧化物特征峰，说明h BN TS具有更优异的抗氧化性能。此外，在模拟高温高湿原位工况的不同温度下，h BN TS的XRD谱图中均未观察到氧化硼衍射峰，而h BN TM则出现明显的氧化硼衍射峰，表明h BN TS同时表现出更佳的抗水性能。
图 5. 理论计算
理论计算进一步揭示，纳米管的弯曲表面调控了B O活性位点的电子结构，使其p带中心向费米能级移动，从而增强了表面对O2和H2O的吸附抵抗力。这种微观环境稳定性的提升，有效抑制了高温、富氧、高水汽反应条件下的活性位点流失与结构崩塌。本研究不仅发展了一种高效、绿色的氮化硼纳米管合成新策略，也为设计适用于苛刻反应环境的高稳定催化剂提供了重要的材料基础与理论依据。
本文使用的焦耳加热装置（CIS-JH3.3-P-1）是由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持与认可！
焦耳加热装置
焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。
