选择性表面改性催化剂可提升生物质的生产量

（文章来源：科技报告与资讯）

科学家设计了一种催化剂，该催化剂由二氧化钛表面上超低浓度的铂（小于十亿分之一米的单原子和团簇）组成。他们证明了这种催化剂如何显着提高断开特定碳-氧键的速率，从而将植物衍生物（糠醇）转化为潜在的生物燃料（2-甲基呋喃）。他们的方法3月23日发表于《Nature Catalysis》上，可以应用于设计稳定、活性和选择性的催化剂，该催化剂基于负载在金属氧化物上的多种金属，以生物质为原料生产工业上有用的化学品和燃料分子。

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料（CFN）界面科学和催化小组的研究人员Anibal Boscoboinik说：“为了使分子产生特定的产物，必须沿着某种途径进行反应，因为可能发生许多对所需产物没有选择性的副反应。要将糠醇转化为生物燃料，必须破坏与分子环状部分相连的侧基上的碳原子和氧原子之间的键，而在环中不产生任何副反应。通常，破坏该键的金属催化剂也会同时激活与环有关的反应，但是，本研究设计的催化剂仅破坏侧基的碳-氧键。

芳香环是原子通过单键或双键连接的结构。在源自植物废料的分子中，芳环通常具有含氧侧基。将植物废物衍生物转化为有用的产品需要通过破坏特定的碳-氧键，从这些侧基中除去氧。

特拉华大学（UD）的能源创新中心（CCEI）的研究人员，也是该催化研究论文的第一作者 Jiayi Fu说：“生物质含有大量的氧气，需要除去部分氧气，以留下更多有用的分子来生产可再生燃料、塑料和高性能润滑剂等。加氢脱氧反应是一种将氢用作从分子中除去氧的反应物的反应，可用于将生物质转化为增值产品。”

在这项研究中，科学家假设，在适度还原的金属氧化物的表面上添加贵金属（会损失和获得氧原子的那些金属）会促进加氢脱氧。

UD CCEI研究生，也是该研究的共同第一作者Jonathan Lym说：“从氧化物表面去除氧气会形成一个固定位点，分子可以固定在该位点上，从而可以断开和形成必要的键。以前在催化和半导体领域的研究也说明了杂质对表面的影响程度。”

为了检验他们的假设，研究小组选择了铂作为贵金属，选择了二氧化钛作为金属氧化物。理论计算和建模表明，当将铂的单个原子引入二氧化钛表面时，氧空位的形成在能量上更有利。

在UD处合成铂-二氧化钛催化剂后，他们使用Brookhaven和Argonne National Labs的设施进行了各种结构和化学表征研究。在CFN电子显微镜工厂，他们使用扫描透射电子显微镜对催化剂进行了高分辨率成像。在布鲁克海文的国家同步加速器光源II（NSLS-II）中，他们使用了原位和Operando软X射线光谱（IOS）光束线以及快速X射线吸收和散射（QAS）光束线来跟踪化学（氧化）状态铂金。通过在Argonne的高级光子源（APS）上进行的补充X射线光谱研究，他们确定了催化剂中原子之间的距离。

回到特拉华州，该团队进行了反应性研究，将催化剂和糠醇放入反应器中，并通过气相色谱法检测了产物。此外他们还从理论上计算了反应进行不同步骤所需的能量。在这些计算的基础上，他们进行了计算机模拟以确定最佳的反应途径。模拟和实验产物分布均表明当存在低浓度的铂时，产生的环反应产物可忽略不计。随着浓度的增加，铂原子开始聚集成更大的簇，从而引发环反应。

Boscoboinik说：“实验和模拟计算使我们可以形成催化剂合理设计的概念，从而对非常复杂的材料表面发生的事情有详细的了解。这些概念可以帮助预测金属和金属氧化物的适当组合，以进行所需的反应，从而将其他分子转化为有价值的产物。”
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