選擇性表面改性催化劑可提升生物質(zhì)的生產(chǎn)量

（文章來源：科技報(bào)告與資訊）

科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種催化劑，該催化劑由二氧化鈦表面上超低濃度的鉑（小于十億分之一米的單原子和團(tuán)簇）組成。他們證明了這種催化劑如何顯著提高斷開特定碳-氧鍵的速率，從而將植物衍生物（糠醇）轉(zhuǎn)化為潛在的生物燃料（2-甲基呋喃）。他們的方法3月23日發(fā)表于《Nature Catalysis》上，可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)穩(wěn)定、活性和選擇性的催化劑，該催化劑基于負(fù)載在金屬氧化物上的多種金屬，以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)工業(yè)上有用的化學(xué)品和燃料分子。

美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的功能納米材料（CFN）界面科學(xué)和催化小組的研究人員Anibal Boscoboinik說：“為了使分子產(chǎn)生特定的產(chǎn)物，必須沿著某種途徑進(jìn)行反應(yīng)，因?yàn)榭赡馨l(fā)生許多對(duì)所需產(chǎn)物沒有選擇性的副反應(yīng)。要將糠醇轉(zhuǎn)化為生物燃料，必須破壞與分子環(huán)狀部分相連的側(cè)基上的碳原子和氧原子之間的鍵，而在環(huán)中不產(chǎn)生任何副反應(yīng)。通常，破壞該鍵的金屬催化劑也會(huì)同時(shí)激活與環(huán)有關(guān)的反應(yīng)，但是，本研究設(shè)計(jì)的催化劑僅破壞側(cè)基的碳-氧鍵。

芳香環(huán)是原子通過單鍵或雙鍵連接的結(jié)構(gòu)。在源自植物廢料的分子中，芳環(huán)通常具有含氧側(cè)基。將植物廢物衍生物轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品需要通過破壞特定的碳-氧鍵，從這些側(cè)基中除去氧。

特拉華大學(xué)（UD）的能源創(chuàng)新中心（CCEI）的研究人員，也是該催化研究論文的第一作者 Jiayi Fu說：“生物質(zhì)含有大量的氧氣，需要除去部分氧氣，以留下更多有用的分子來生產(chǎn)可再生燃料、塑料和高性能潤滑劑等。加氫脫氧反應(yīng)是一種將氫用作從分子中除去氧的反應(yīng)物的反應(yīng)，可用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家假設(shè)，在適度還原的金屬氧化物的表面上添加貴金屬（會(huì)損失和獲得氧原子的那些金屬）會(huì)促進(jìn)加氫脫氧。

UD CCEI研究生，也是該研究的共同第一作者Jonathan Lym說：“從氧化物表面去除氧氣會(huì)形成一個(gè)固定位點(diǎn)，分子可以固定在該位點(diǎn)上，從而可以斷開和形成必要的鍵。以前在催化和半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究也說明了雜質(zhì)對(duì)表面的影響程度。”

為了檢驗(yàn)他們的假設(shè)，研究小組選擇了鉑作為貴金屬，選擇了二氧化鈦?zhàn)鳛榻饘傺趸?。理論?jì)算和建模表明，當(dāng)將鉑的單個(gè)原子引入二氧化鈦表面時(shí)，氧空位的形成在能量上更有利。

在UD處合成鉑-二氧化鈦催化劑后，他們使用Brookhaven和Argonne National Labs的設(shè)施進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)和化學(xué)表征研究。在CFN電子顯微鏡工廠，他們使用掃描透射電子顯微鏡對(duì)催化劑進(jìn)行了高分辨率成像。在布魯克海文的國家同步加速器光源II（NSLS-II）中，他們使用了原位和Operando軟X射線光譜（IOS）光束線以及快速X射線吸收和散射（QAS）光束線來跟蹤化學(xué)（氧化）狀態(tài)鉑金。通過在Argonne的高級(jí)光子源（APS）上進(jìn)行的補(bǔ)充X射線光譜研究，他們確定了催化劑中原子之間的距離。

回到特拉華州，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了反應(yīng)性研究，將催化劑和糠醇放入反應(yīng)器中，并通過氣相色譜法檢測(cè)了產(chǎn)物。此外他們還從理論上計(jì)算了反應(yīng)進(jìn)行不同步驟所需的能量。在這些計(jì)算的基礎(chǔ)上，他們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬以確定最佳的反應(yīng)途徑。模擬和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分布均表明當(dāng)存在低濃度的鉑時(shí)，產(chǎn)生的環(huán)反應(yīng)產(chǎn)物可忽略不計(jì)。隨著濃度的增加，鉑原子開始聚集成更大的簇，從而引發(fā)環(huán)反應(yīng)。

Boscoboinik說：“實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算使我們可以形成催化劑合理設(shè)計(jì)的概念，從而對(duì)非常復(fù)雜的材料表面發(fā)生的事情有詳細(xì)的了解。這些概念可以幫助預(yù)測(cè)金屬和金屬氧化物的適當(dāng)組合，以進(jìn)行所需的反應(yīng)，從而將其他分子轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)物。”
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