使用表面质子传导的电场催化，其中通过外部电促进质子跳跃和对反应物的碰撞，是打破吸热丙烷脱氢（PDH）中热力学平衡限制的有前途的方法。

近日，北海道大学Shinya Furukawa设计了一种基于表面质子化学的新型电辅助低温 PDH 催化剂，其概念与之前基于合金化学的催化剂设计完全不同。

文章要点

1）以锐钛矿TiO₂为核，Ti-Sm溶胶为壳，将Sm阳离子掺杂到TiO₂的表面Ti位点，通过电荷补偿增加表面质子（羟基）的密度。具有金属间化合物 Pt3In 相的纳米颗粒 Pt-In 负载在 Sm 掺杂的 TiO₂ (Pt-In/Sm-TiO₂) 上，它在 300 °C 下作为电辅助 PDH 的高效催化剂。

2）电辅助 PDH 中的催化活性可以通过根据 Sm 的掺杂量改变表面羟基密度来控制，其中 1-mol% 是最佳掺杂量。因此，我们发现了一个前所未有的独特现象，即“表面质子密度控制PDH活性”。当施加5.35 W的电功率时获得19.3%的丙烯收率，这远远超过300 °C时的热力学平衡极限（仅0.5%）。

3）尽管TiO₂掺杂 Sm 本身不会影响基于表面质子学的电辅助 PDH 反应机理，但它可以通过促进丙烷上的质子碰撞来显着提高丙烯形成的总反应速率。这种促进不仅通过表面质子富集实现，而且通过 Sm 增强丙烷吸附实现。

研究结果为低温烷烃转化提供了高效的催化体系，并为基于表面质子学的增强电辅助催化提供了通用的催化剂设计概念。

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Jianshuo Zhang, et al, Surface Engineering of Titania Boosts Electroassisted Propane Dehydrogenation at Low Temperature, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202300744

DOI: 10.1002/anie.202300744

https://doi.org/10.1002/anie.202300744