轻质烯烃（如乙烯、丙烯和丁烯）是石化工业中的重要原料。近年来，全球对轻质烯烃的需求持续增长[1]。传统的轻质烯烃生产方法包括蒸汽裂解、流化催化裂化（FCC）和脱氢反应。然而，这些方法能耗较高，CO?排放量大，并且存在结焦等操作难题[2]。此外，CO和CO?脱氢等替代工艺在轻质烯烃生产中得到了广泛研究，尤其是在碳利用和可持续化学品生产方面。然而，CO/CO?脱氢工艺受限于复杂的多功能催化剂、高温高压操作以及对反应中间体的精确控制，以防止不希望产生的甲烷并实现高烯烃选择性。因此，CO/CO?脱氢在技术和经济上都具有挑战性，阻碍了其工业化应用。
相比之下，正戊烷等轻质烷烃原料提供了一种更简单且更符合工业需求的轻质烯烃生产途径。正戊烷在炼油厂和天然气液流中储量丰富，但在现有装置中往往未得到充分利用。将正戊烷选择性地转化为轻质烯烃是一种有吸引力的价值提升策略，可以很容易地整合到现有的石化装置中。这些因素凸显了开发一种清洁、高效且几乎不产生CO?的烯烃生产过程的需求。在这种背景下，轻质烷烃的催化氧化裂解（COC）是一种可行且可持续的轻质烯烃生产方法[3],[4]。
作为一种可持续的烯烃生产工艺，轻质烷烃的COC工艺引起了学术界的广泛关注[5]。这些烷烃因其较高的电离势和较低的电子亲和力而备受青睐。COC工艺在含氧的酸性催化剂上同时进行裂解和氧化反应，所需的裂解能量由放热的氧化反应提供，从而实现自热操作[6]。除了减少能源消耗外，这种动态机制还显著降低了CO?排放。此外，由于氧气有助于抑制结焦，该工艺可以在比传统方法更低的温度下运行[7]。然而，也存在一些缺点，如不必要的深度氧化现象以及烃类-氧气混合物带来的爆炸风险。通过开发性能优异的催化剂系统和反应器设计，可以克服这些难题。
循环金属氧化物催化剂中的晶格氧被用于一种新型的无氧氧化裂解工艺中。在这种工艺中，C?/C?烷烃通过直接和氧化脱氢过程被选择性地转化为烯烃[2]。该方法在较低温度下运行，有效减少了结焦现象，并降低了爆炸风险[8]。在循环使用之前，缺氧的催化剂会在第二个反应器中经历再氧化反应。这种方法有效降低了气相氧带来的爆炸风险。
为了精确控制催化过程，需要催化剂在操作条件下同时保持结构完整性和较高的反应活性。多项研究表明，基于钒的催化剂是烯烃氧化转化的可行选择[9],[10]。这得益于钒的优异氧化还原特性，使得烯烃选择性更容易控制。通过添加促进剂，钒催化剂的氧化还原特性可以得到进一步改善。例如，Elbadawi等人[11]发现Ce掺杂的VO?/Ce-γAl?O?催化剂对正己烷的烯烃选择性可达60%，转化率为30%；同一研究小组还报道了Nb掺杂的VO?/Nb/La-γAl?O?催化剂在21%的乙烷转化率下实现了85%的乙烯选择性。Ayandiran等人[12]使用CaO改性的VOx/CaO-γAl?O?催化剂在丙烷氧化脱氢过程中取得了显著成果，丙烷转化率为65%，乙烯选择性为85%。Luan等人[13]指出，Fe改性的ZSM-5催化剂提高了烯烃产量和扩散性能，使乙烯和丙烯的产率分别达到33.4%和43.9%。Tian等人[14]发现，金属改性的纳米层状材料在催化裂解中提高了轻质烯烃的产率；Ca改性的ZSM-5催化剂提高了烯烃选择性（71.3%），而Fe改性的ZSM-5催化剂抑制了氢转移反应，提高了稳定性并提高了烯烃产率（43.9%）。这些发现表明了催化剂特性在优化氧化裂解性能中的关键作用。
钒基催化剂的有效性取决于多种因素，包括钒的含量、载体类型、合成方法以及钒物种的表面结构[15]。例如，Jeon等人[16]发现，当钒负载量在6.7%至11.3%之间时，催化剂在氧化锆载体上的活性最佳。Benomar等人[17]指出，含有高达12%钒的氧化铝载体表现出更高的乙烷转化率，说明钒在氧化铝载体上的分散性良好。这些催化剂在低乙烷转化率下显示出最高的乙烯选择性，可达约70%。
除了钒的负载量外，催化剂载体的酸碱性质也是重要因素。这些性质显著影响催化剂的活性和选择性。载体的酸碱性质影响氧化裂解过程中反应物的吸附和产物的脱附。酸性载体通常有助于碱性反应物的吸附，并促进相关产物的脱附[18],[19]。Benomar等人[17]认为，不同载体上观察到的烯烃选择性差异可能与钒的分散性和载体的酸碱性质有关。氧化铝是一种有前景的载体材料，因其具有出色的机械强度、高热稳定性、均匀的孔径分布和较大的表面积[15],[20],[21],[22]。然而，氧化铝本身具有天然酸性，可能导致过度裂解和较轻副产物的形成。尽管氧化铝与钒的相互作用较强，但其酸性可能导致过度裂解和深度氧化。因此，可以通过用碱土氧化物（如SrO）修饰来调节其酸碱性质，从而在保留γ-Al?O?的有利特性的同时，降低不必要的副反应。
为了提高无氧条件下的氧化裂解性能，本研究重点研究了通过添加SrO来改性VO?/γAl?O?催化剂。添加SrO有助于中和催化剂的酸性，并增强VOx与γAl?O?之间的相互作用，从而在较高烃类转化率下仍能最大化烯烃选择性。为了了解所制备催化剂的物理化学性质，进行了N?吸附、XRD、FTIR、SEM-EDX和NH?-TPD分析。为了评估不同反应条件下的催化性能，使用正戊烷作为模型烃类在流化床催化裂化模拟器中进行了实验。图1展示了本研究的方法流程。本研究的结果为设计用于生产可持续烯烃的催化剂提供了重要新信息。
