丙烯作为现代化学工业的“基石”之一，其生产技术路线的每一次革新都牵动着从基础化工到高分子材料的庞大产业链。传统丙烷氧化脱氢工艺长期受困于过度氧化反应，导致丙烯选择性难以突破瓶颈。近日，四川大学化学工程学院岳海荣教授团队在《自然·通讯》发表研究成果，提出了一种电驱动连续化学循环新策略，在600℃、10 mA cm⁻²条件下实现了92.6%的烯烃选择性和14.2%的单程丙烷转化率，为这一领域提供了兼具学术价值与工程前景的解决方案。
丙烷氧化脱氢的“选择性困境”
丙烯是合成丙烯醛、丙酮及多种工业化学品的重要基础原料，其市场需求持续增长。在丙烷脱氢制丙烯的多条技术路线中，氧化脱氢因放热反应特性可绕过热力学平衡限制，同时有效抑制催化剂积碳失活，被视为颇具前景的替代方案。
然而，这一路线长期面临一个根本性矛盾：氧气存在条件下，丙烷的C–C键（键能约370 kJ mol⁻¹）与C–H键的活化竞争难以精准调控，产物丙烯比原料丙烷更易被进一步氧化为COx，导致选择性大幅下降。此外，丙烷与氧气直接混合还存在安全隐患。
为规避过度氧化，化学循环策略应运而生。该策略遵循晶格氧反应机理，利用固体载氧体中的晶格氧实现“供氧”与“补氧”过程的空间或时间解耦，使丙烷在无气相氧条件下进行选择性氧化。这一思路在原理上具有吸引力，但实际操作中需要频繁切换反应与再生阶段，反应床再生过程增加了系统操作的复杂性，对工程放大构成显著挑战。
如何在保持高选择性的同时实现连续稳定运行，成为该领域亟待突破的核心问题。
电驱动连续化学循环的创新设计
岳海荣团队提出的解决方案，核心在于以电化学方式替代传统化学循环中的热再生过程，构建一种“电驱动连续化学循环”体系。这一设计将CO₂电解与丙烷氧化脱氢耦合于固体氧化物电解池中，以电流作为驱动力，实现活性氧的在线补充与循环利用。
研究团队构建的反应体系层次分明：以Ni-YSZ为阴极，YSZ（钇稳定氧化锆）为氧离子导体，Co₃O₄修饰的La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃₋δ（LSCF）为阳极。在电场驱动下，CO₂在阴极被还原为CO，同时产生O²⁻；这些氧离子定向穿过YSZ电解质迁移至阳极，用于在线补充丙烷氧化脱氢过程中消耗的活性氧物种。
这一设计的精妙之处在于，它从根本上改变了传统化学循环的“切换-再生”逻辑。电流的引入使氧的迁移与补充成为一个连续、可控的动态过程，而非间歇式的操作步骤。丙烷在阳极侧的氧化脱氢反应得以持续进行，无需中断反应床进行再生，操作复杂性显著降低。
更为重要的是，该策略实现了“一石二鸟”的效果：丙烷转化为高价值丙烯的同时，CO₂被资源化利用为CO，为碳减排与碳利用提供了一条潜在的协同路径。
性能突破：从数据到机制
一项催化研究的说服力，最终体现在性能数据与机理阐释的双重支撑上。
在性能层面，采用Co₃O₄-LSCF-0.26阳极的CO₂-OPDH反应体系表现突出。在600℃、10 mA cm⁻²的操作条件下，单程丙烷转化率达到14.2%，烯烃选择性高达92.6%，其中丙烯选择性为80.6%。值得注意的是，该体系在连续运行120小时的耐久性测试中保持了稳定性能，未出现显著失活。
从对比视角看，这一性能较开路条件下的基线产率提升了18.5倍。在电化学丙烷转化领域，此前报道的系统往往受限于较低的丙烯选择性，C–C键断裂副反应难以有效抑制。本研究在保持较高转化率的同时将选择性提升至工业可期水平，构成实质性突破。
然而，数据本身并不足以解释“为什么有效”。团队通过原位表征与密度泛函理论计算，揭示了性能背后的机制本质：电驱动连续化学循环能够维持阳极反应界面氧物种的平衡稳定；Co₃O₄的引入对氧活性具有适度的调控作用，适宜的氧活性可有效抑制丙烷直接脱氢与过度氧化两条副反应路径。
这一机制解释的关键词是“适度”。过度活跃的氧物种会加剧过度氧化，而氧活性不足则限制转化率。Co₃O₄修饰的核心功能，正是在阳极表面构建一种“温和而持续”的活性氧供给状态，使脱氢过程在选择性窗口内运行。
学术意义与应用前景
岳海荣团队的研究成果，其价值可以从两个层面加以审视。
从学术层面而言，该工作展示了一种将电化学控制与化学循环理念相融合的催化剂与反应器设计范式。传统化学循环的瓶颈在于“再生”操作的工程复杂性，而电驱动方案以电流作为调控手段，实现了活性氧的在线、连续、精准补充。这种“电替代热”的思路，为选择性氧化反应系统的设计提供了可迁移的方法论——不仅适用于丙烷脱氢，也可能启发其他面临类似选择性控制难题的氧化反应体系。
从应用前景来看，14.2%的单程转化率虽然尚不足以直接匹配工业级丙烯生产的转化率要求，但92.6%的烯烃选择性意味着产物分离成本的大幅降低。在化工过程中，选择性与转化率之间的权衡往往决定工艺的经济性边界。高选择性意味着更少的副产物、更低的分离负荷和更优的碳原子利用率。120小时的稳定运行数据则初步验证了该体系的操作可行性，为后续放大研究奠定了基础。
还应注意的是，该体系将CO₂电解与丙烷脱氢耦合，在丙烯生产的同时实现了CO₂的资源化转化。在当前“双碳”战略背景下，这种“碳利用”与“化学品生产”一体化的反应设计思路，具有超越单一催化过程的方法论意义。
岳海荣团队的研究工作，本质上回答了一个问题：如何在保持选择性的前提下，让化学循环“连续”起来。电驱动连续化学循环策略以电流为调控杠杆，以氧离子导体为传递通道，以表面修饰为活性调控手段，构建了一个“供氧-反应-补氧”动态平衡的反应体系。这一设计在600℃条件下实现了92.6%的烯烃选择性与120小时的稳定运行，以扎实的实验数据与深入的机理分析，为丙烷氧化脱氢制丙烯提供了一条有别于传统路径的技术方案。
该研究近日以“Achieving enhanced and robust propane selective oxidative dehydrogenation via electrically-driven continuous chemical looping”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。四川大学为论文第一完成单位，化学工程学院博士生张世慧、周昶安副研究员为共同第一作者，岳海荣教授和马奎副教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、四川省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。
