丙烯(C₃H₆)是生产塑料、纤维、橡胶和精细化工产品的重要原料。页岩气中具有丰富的丙烷资源，丙烷(C₃H₈)直接脱氢(PDH)被认为是一种很有前景的制丙烯方法。对于PDH，催化剂中金属物种的大粒径可能导致不利的裂解和氢解反应的发生。

为了缓解这个问题，构建孤立的金属位点是实现高选择性催化丙烯生产的最有效的策略之一。到目前为止，人们已经开发出单原子合金(SAA)，金属间化合物合金和单原子催化剂(SAC)。SAC具有相对简单的结构和完全孤立的活性位点，通过载体优化和配体修饰能够赋予其良好的活化丙烷C-H键的能力。最近，有人将另一个金属原子引入SAC以形成双原子催化剂(DAC)可以增强催化性能。因此，通过杂原子的配位和电子效应，DAC有望提供更优化的结构，在催化过程中促进底物的吸附/脱附，并从原子效率的角度改善其效能。

近日，中国科学院大连化物所王晓东、林坚和福州大学林森等我们开发了一个高性能的DAC催化剂，其中Zn₁Co₁物种锚定在氮掺杂碳(Zn₁Co₁/NC)上作为丙烷脱氢(PDH)反应的主要活性位点。与单原子相比，Zn₁Co₁/NC表现出更高的C₃H₈转化率和C₃H₆选择性，其性能甚至与商业K-CrO_x/Al₂O₃催化剂相当。

此外，与Zn₂/NC相比，Zn₁Co₁/NC表现出更高的活性和稳定性；同时，理论计算显示，Zn₂/NC上C₃H₈的第一个氢化步骤的自由能高于Zn₁Co₁/NC，表明异质双原子比同质原子具有更高的C₃H₈活化活性。

理论计算表明，在PDH反应期间，C₃H₆在Zn₂/NC上的E_ads为−0.54 eV，非常接近于Zn₁/NC(−0.57 eV)，但大于Zn₁Co₁/NC(−0.34 eV)。因此，只引入Zn₁物种并不能提高PDH反应的选择性(因为C₃H₆的吸附仍然很强)，进一步证实了Zn₁Co₁双原子对于提高反应活性的重要性。

此外，Zn₁Co₁/NC比Zn₁/NC+Co₁/NC具有更高的活性和选择性，表明Zn₁和Co₁两种单原子位点不能有效地提高PDH的性能。相比之下，Zn₁Co₁/NC上N连接的Zn₁Co₁对的作用更为重要，对PDH反应有明显的协同作用。

基于实验结果和理论计算，Zn₁Co₁/NC催化剂的高活性来源于Zn₁和Co₁之间桥联的N原子，它们有效地促进了C₃H₈中C-H键的断裂；同时C₃H₆选择性的提高归因于PDH反应过程中具有动态变化结构的N连接Zn₁Co₁系综，为C₃H₆的脱附提供了通道。

Dual-atom catalyst with N-colligated Zn₁Co₁ species as dominant active sites for propane dehydrogenation. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c08616