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研究人员揭开钛硅分子筛催化剂的神秘面纱
日期:2020-11-13 江苏化工网
    

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。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。”他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》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。该杂志的通讯作者、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。

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