Synthesis of the PtxZn/MSN Catalysts and Their Propane Dehydrogenation Properties

doi:10.7503/cjcu20250011

Abstract

Abstract:

With the increasing demand of propylene in society， the development of efficient propylene production technology is crucial for both science and the economy. Platinum-based catalysts have been widely studied in propane dehydrogenation（PDH） reactions due to their high ability to activate propane C—H bonds and selectivity towards propylene. In this work， mesoporous silica nanoparticles（MSN） with confinement effect were used as the support， and transition metal zinc was selected as a promoter to control the electronic properties and geometric structure of platinum. PtxZn/MSN catalysts with different zinc loadings were prepared by the impregnation method and the products were characterized by X-Ray diffraction（XRD）， N₂ adsorption-desorption， Raman spectra， CO diffuse reflective infrared Fourier transform spectroscopy（CO-DRIFT）， scanning electron microscope（SEM）， transmission electron microscope（TEM） and X-ray photoelectron specroscopy（XPS）. the PDH performance of PtxZn/MSN was tested. When the zinc loading was 0.5%（mass fraction）， PtxZn/MSN catalyst showed the highest PDH activity with the initial propane conversion and propylene selectivity of 47.9% and 97.0%， respectively. After 6 h reaction， the propane conversion and propylene selectivity were 45.8% and 97.0%， with the propylene production rate of 0.82 mmol/min·g_cat. The characterization results demonstrated that the addition of Zn divided Pt particles into smaller Pt species， which can improve the dispersion of Pt， reduce the occurrence of side reactions， and enhance the stability of the catalyst.

Key words: Pt-based catalyst, Transition metal Zn promoter, Mesoporous silica nanoparticles, Propane dehydrogenation, Propylene

CLC Number:

O643.3

TrendMD:

WANG Wenxin, SHAN Yiou, SONG Jiaxin, FAN Xiaoqiang, YU Xuehua, KONG Lian, XIAO Xia, XIE Zean, ZHAO Zhen. Synthesis of the PtxZn/MSN Catalysts and Their Propane Dehydrogenation Properties[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(7): 20250011.

Figures/Tables 15

Table 1 Content of Zn species in PtxZn/MSN analyzed by ICP

Sample	Pt content（%）	Zn content （%）
Pt0.1Zn/MSN	0.47	0.26
Pt0.5Zn/MSN	0.49	0.45
Pt1.0Zn/MSN	0.51	0.96

Table 2 Textural properties of PtxZn/MSN catalysts

Sample	S $B E T a$ /（m²·g^-1）	d $B J H b$ /（nm）	V $m e s c$ /（cm³·g^-1）
Pt0.1Zn/MSN	824	7.39	1.75
Pt0.5Zn/MSN	766	7.73	1.72
Pt1.0Zn/MSN	761	6.18	1.36
Pt1.5Zn/MSN	749	6.49	1.39

Table 2 Textural properties of PtxZn/MSN catalysts

Sample	S $B E T a$ /（m²·g^-1）	d $B J H b$ /（nm）	V $m e s c$ /（cm³·g^-1）
Pt0.1Zn/MSN	824	7.39	1.75
Pt0.5Zn/MSN	766	7.73	1.72
Pt1.0Zn/MSN	761	6.18	1.36
Pt1.5Zn/MSN	749	6.49	1.39

Table 3 Propane dehydrogenation performance data of PtxZn/MSN catalysts

Sample	Propane conversion/（%）		Propene selectivity/（%）		I_D/I_G
Sample	Initial	Final	Initial	Final	I_D/I_G
Pt0.1Zn/MSN	53.3	32.5	89.3	93.4	1.45
Pt0.5Zn/MSN	47.9	45.8	97.0	97.0	1.29
Pt1.0Zn/MSN	40.2	38.5	97.7	97.7	1.30
Pt1.5Zn/MSN	36.2	31.6	96.1	96.1	0.88

Table 4 Comparison of activity over the related catalysts

Catalyst	Feed composition	Reaction temperature/℃	WHSV^*/h^-1	Initial conversion（%）	Initial selectivity（%）	Ref.
Pt₁Sn₁/SiO₂	V_C3H8/V_He=4∶21	580	4.7	66.5	ca. 99	［16］
Ga ^δ Pt⁰/SiO₂	V_C3H8/V_Ar=2∶8	550	2.0	40.7	ca. 98	［17］
Pt₁Zn₁/SiO₂	V_C3H8/V_H2=1∶1	600	4.0	48.5	ca. 96	［19］
0.3Pt0.5Zn@S⁃1	V_C3H8/V_N2=11∶19	550	6.5	37.1	ca. 99	［22］
Pt⁃Zn/SiO₂	V_C3H8/V_H2=1∶1	500	—	79.0	ca. 92	［24］
Pt/10Mn⁃SBA⁃15	V_C3H8/V_N2=4∶8	590	9.4	51.2	ca. 97	［25］
Pt0.5Zn/MSN	V_C3H88/V_N2=4∶8	590	9.4	47.9	ca. 98	This work

References 36

[1]	Shan Y. O.， Hu H. M.， Fan X. Q.， Zhao Z.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2023， 25， 18609—18622
[2]	Grant J. T.， Carrero C. A.， Goeltl F.， Venegas J.， Mueller P.， Burt S. P.， Specht S. E.， McDermott W. P.， Chieregato A.， Hermans I.， Science， 2016， 354（6319）， 1570—1573
[3]	Chen S.， Chang X.， Sun G. D.， Zhang T. T.， Xu Y. Y.， Wang Y.， Pei C. L.， Gong J. L.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50， 3315—3354
[4]	Zeng L.， Cheng K.， Sun F. F.， Fan Q. Y.， Li L. Y.， Zhang Q. H.， Wei Y.， Zhou W.， Kang J. C.， Zhang Q. Y.， Chen M. S.， Liu Q. N.， Zhang L. Q.， Huang J. Y.， Cheng J.， Jiang Z.， Fu G.， Wang Y.， Science， 2024， 383（6686）， 998—1004
[5]	Chernyak S. A.， Corda M.， Dath J.， Ordomsky V. V.， Khodakov A. Y.， Chem. Soc. Rev.， 2022， 51， 7994—8044
[6]	Liu Y. X.， Hu H. M.， Fan X. Q.， Yu X. H.， Kong L.， Xiao X.， Xie Z. A.， Zhao Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2025， 46（3）， 20240460
	刘奕萱，胡慧敏，范晓强，于学华，孔莲，肖霞，解则安，赵震，高等学校化学学报， 2025， 46（3）， 20240460
[7]	Srisakwattana T.， Watmanee S.， Wannakao S.， Saiyasombat C.， Praserthdam P.， Panpranot J.， Appl. Catal. A： Gen.， 2021， 615（5）， 118053
[8]	Lian Z.， Ali S.， Liu T. F.， Si C. W.， Li B.， Su D. S.， ACS Catal.， 2018， 8（5）， 4694—4704
[9]	Li C. Y.， Wang G. W.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50， 4359—4381
[10]	Siri G. J.， Ramallo⁃López J. M.， Casella M. L.， Fierro J. L. G.， Requejo F. G.， Ferretti O. A.， Appl. Catal. A： Gen.， 2005， 278（2）， 239—249
[11]	Deng L. D.， Zhou Z. J.， Shi T.， Appl. Catal. A： Gen.， 2020， 606（25）， 117826
[12]	Natarajan P.， Khan H. A.， Jaleel A.， Park D. S.， Kang D. C.， Yoon S.， Jung K. D.， J. Catal.， 2020， 392， 8—20
[13]	Cui X. L.， Ma B. F.， Pan H.， Xia Y.， Liu L.， Zhao B. F.， Liang Z.， Zhang L. H.， Zhang Y. K.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（2）， 268—271
[14]	Shen X. Y.， Qi G. D.， Liang J. W.， Wang R. C.， Xu J.， Deng F.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（6）， 935—942
[15]	Liu L. C.， Lopez⁃Haro M. L.， Lopes C. W.， Meira D. M.， Concepcion P.， Calvino J. J.， Corma A.， J. Catal.， 2020， 391， 11—24
[16]	Motagamwala A. H.， Almallahi R.， Wortman J.， Igenegbai V. O.， Linic S. J.， Science， 2021， 373（6551）， 217—222
[17]	Searles K.， Chan K. W.， Mendes Burak J. A.， Zemlyanov D.， Safonova O.， Copéret C.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（37）， 11674—11679
[18]	Qian R.， Luo S. Z.， Jing F. L.， Fang W. H.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2022， 61（47）， 17264—17274
[19]	Chen S.， Zhao Z. J.， Mu R. T.， Chang X.， Luo J.， Purdy S. C.， Kropf A. J.， Sun G. D.， Pei C. L.， Miller J. T.， Zhou X. H.， Vovk E.， Yang Y.， Gong J. L.， Chem， 2021， 7（2）， 387—405
[20]	Han S.W.， Park H.， Han J. H.， Kim J. C.， Lee J.， Jo C.， Ryoo R.， ACS Catal.， 2021， 11（15）， 9233—9241
[21]	Zhang L. K.， Ma Y.， Liu C. C.， Wan Z. P.， Zhai C. W.， Wang X.， Xu H.， Guang Y. J.， Wu P.， Chinese J. Catal.， 2023， 55， 241—252
[22]	Wang Y. S.， Hu Z. P.， Lv X. W.， Chen L.， Yuan Z. Y.， J. Catal.， 2020， 385， 61—69
[23]	Ye C. L.， Peng M.， Wang Y. H.， Zhang N. Q.， Wang D. S.， Jiao M. L.， Miller J. T.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（23）， 25903—25909
[24]	Docherty S. R.， Rochlitz L.， Payard P. A.， Copéret C.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50， 5806—5822
[25]	Fan X. Q.， Yang Y.， Song J. X.， Shan Y. O.， Yu X. H.， Kong L.， Xiao X.， Xie Z. A.， Zhao Z.， Appl. Catal. A： Gen.， 2024， 670（25）， 119559
[26]	Fan X. Q.， Liu D. D.， Sun X. Y.， Yu X. H.， Li D.， Yang Y.， Liu H. Y.， Diao J. Y.， Xie Z. A.， Kong L.， Xiao X.， Zhao Z.， J. Catal.， 2020， 389， 450—460
[27]	Martinelli A.， Creci S.， Vavra S.， Carlsson P.， Skoglundh M.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2020， 22， 1640—1654
[28]	Evaristo L.， Silveira R.， Tissot M.， Hippler G.， Moulton B.， Buchner S.， Int. J. Appl. Glass Sci.， 2022， 14（2）， 240—246
[29]	Ferri L. D.， Lorenzi A.， Lottici P. P.， J. Raman Spectrosc.， 2016， 47（6）， 699—705
[30]	Han Z. P.， Li S. R.， Jiang F.， Wang T.， Ma X. B.， Gong J. L.， Nanoscale， 2014， 6， 10000—10008
[31]	Gao X. Q.， Li W. C.， Qiu B.， Sheng J.， Wu F.， Lu A. H.， J. Energy Chem.， 2022， 70， 332—339
[32]	Zhang Y. N.， Zhang X. Y.， Yang P. F.， Gao M. Y.， Feng J. T.， Li D. Q.， Appl. Catal. B： Environ.， 2021， 298（5）， 120634
[33]	Deng L. D.， Arakawa T.， Ohkubo T.， Miura H.， Shishido T.， Hosokawa S.， Teramura K.， Tanaka T.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2017， 56（25）， 7160—7172
[34]	Li Y. M.， Mn Y. J.， Zhang Q. Y.， Kondratenko V. A.， Jiang G. L.， Sun H. Q.， Han S. L.， Wang Y. J.， Cui G. Q.， Zhou M. X.， Huan Q.， Zhao Z.， Xu C. M.， Jiang G. Y.， Kondratenko E. V.， J. Catal.， 2023， 418， 290—299
[35]	Iida T.， Zanchet D.， Ohara K.， Wakihara T.， Leshkov Y. R.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2018， 57（22）， 6454—6458
[36]	Wang Y. N.， Sun X. H.， Yu X. H.， Zhang R. J.， Yan B. H.， Appl. Catal. B： Environ.， 2023， 337（15）， 123010