催化剂研究新发现：40年谜团一朝解

钛硅分子筛（TS-1）并不是一种新型催化剂，其开发并成功应用于催化丙烯转化为环氧丙烷（一种重要的化工基础化学品）距今已近40年。现在，通过结合各种研究方法，来自苏黎世联邦理工学院、科隆大学、弗里茨·哈伯研究所（Fritz Haber Institute）和巴斯夫的科学家团队共同揭示了这种催化剂出乎意料的作用机制。这些研究结果将有助于推动催化剂研究向前迈出重要的一步。

环氧丙烷（上图）在工业中用于生产聚氨酯、防冻液添加剂和液压油等产品。全球化工行业每年生产超过1,100万吨环氧丙烷，其中有100万吨是通过使用过氧化氢氧化丙烯来生产的——这种化学反应在TS-1的催化下发生。TS-1是一种微孔结晶材料，由硅、氧和少量钛组成。该催化剂至今已有40年成功应用的历史。专家们曾认为TS-1中的活性中心包含单一的、孤立的钛原子，这种结构保证了其特殊的催化剂活性。

然而，来自苏黎世联邦理工学院、科隆大学、弗里茨·哈伯研究所和巴斯夫的研究团队对这一假设提出了质疑。 

巴斯夫的科学家Henrique Teles博士解释道：“近年来，人们开始挑战关于反应机制假设的正确性，因为这一假设主要依赖于与类似催化剂的类比，而较少依赖于实验证据。但是如果该假设错误，则很难基于此对催化剂进行优化，甚至可能引向完全错误的方向。因此，我们必须更深入地研究这一假设。” Teles博士是相关文章的作者之一。此文章是该研究团队的合作起点。

在一项发表在《自然》（英語：Nature）杂志上的研究中，该团队通过使用固体核磁共振技术的研究和计算机模拟证明，两个相邻的钛原子对于解释特定的催化活性很有必要。研究团队也由此得出结论：钛原子不是孤立的，而是由一对钛原子对组成的催化活性中心。

具有钛原子对（浅灰色）的催化剂钛硅分子筛（TS-1）活性中心的3D模型

供图：苏黎世联邦理工学院  

《自然》杂志通讯作者、苏黎世联邦理工学院的Christophe Copéret 教授强调说：“我们所用的研究方法本质上来讲并不新颖，但任何一个研究小组都不可能只靠自己开展这项研究。只有结合不同领域的专业知识和各种技术，才有可能更仔细地研究催化剂的活性中心。”

来自科隆大学的合著者Albrecht Berkessel教授表示：“我们多年来一直致力于阐述均相钛催化剂的反应机理，并发现过氧化氢由一对钛原子对激活，这与文献中的假设相反。我们在当前研究中看到均相催化的研究结果也适用于多相催化，这真的是一个特别的时刻。”

来自柏林弗里茨·哈伯研究所的合著者Thomas Lunkenbein博士补充道：“我们很高兴能够为这项研究做出贡献。我们的分析手段佐证了这些结论。这项研究对双原子活性中心的认识具有根本性的意义，并为催化剂研究带来了新可能。”

团队确信，该项研究结果不仅有助于改进现有催化剂，而且有助于开发新的均相和多相催化剂。

点击阅读原文，获取发表在《自然》杂志的文章。

参考文献:

Gordon CP, Engler H, Tragl AS, Plodinec M, Lunkenbein T, Berkessel A, Teles JH, Parvulescu AN, Copéret C. Efficient epoxidation over dinuclear sites in Titanium Silicalite-1. Nature (2020) doi: 10.1038/s41586-020-2826-3

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