硅鈦礦-1(TS-1)在近40年前被開發(fā)出來，已成功地用作催化劑，將丙烯轉(zhuǎn)化為環(huán)氧丙烷，這是一種重要的商品化學(xué)品，例如用于生產(chǎn)聚氨酯等塑料。現(xiàn)在，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、科隆大學(xué)、Fritz-Haber-Institute和巴斯夫的一個研究小組揭示了令人驚訝的實際反應(yīng)機(jī)制。
環(huán)氧丙烷是化學(xué)工業(yè)的重要商品，用于生產(chǎn)塑料、防凍劑和液壓油。每年生產(chǎn)的環(huán)氧丙烷超過1100萬噸，其中100多萬噸由與過氧化氫(H2O2)氧化生成。該化學(xué)反應(yīng)由硅酸鈦-1(TS-1)催化。硅酸鈦-1是一種多孔的結(jié)晶材料，由二氧化硅組成，并含有少量的鈦原子(每100個硅原子約有1至4個鈦原子)。水是唯一的副產(chǎn)品。雖然自近40年前開發(fā)出TS-1以來，這種催化工藝已被成功應(yīng)用，但具體的催化機(jī)理尚不清楚。然而，化學(xué)研究界的共識是，TS-1中的活性位點必須是孤立的鈦原子，這為該催化劑的獨特反應(yīng)性提供了基礎(chǔ)。
來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、科隆大學(xué)、柏林的Fritz-Haber-Institute和巴斯夫的一個研究小組對這一假設(shè)提出了質(zhì)疑。在目前發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，研究人員可以表明，在催化過程中，兩個鈦原子激活了H2O2，這表明鈦原子實際上不是孤立的，而是具有協(xié)同效應(yīng)。
根據(jù)17O固態(tài)核磁共振光譜，研究人員表明，在與H2O2的氧化過程中，會與兩個鈦原子形成過氧化物中間體。通過計算建模，作者進(jìn)一步表明，這些雙核位點確實能高效促進(jìn)丙烯的氧化。有趣的是，這種雙核位點的催化模式與過酸的成熟反應(yīng)機(jī)制相似，而過酸是烯氧化最古老、最顯著的試劑。該研究還表明，雙核位點在丙烯環(huán)氧化中特別有效，應(yīng)該考慮開發(fā)改進(jìn)的催化劑。
"我們在這項研究中使用的方法都不是突破性的新方法，然而，許多事情必須同時發(fā)生才能使這項研究得以進(jìn)行"，該出版物的相應(yīng)作者Christophe
Copéret說，"我們實驗室最近才開發(fā)出一種合成富含17O過氧化氫的方法，這是我們最近工作的關(guān)鍵之一。此外，我們的研究小組在最近幾年獲得了大量的低溫NMR光譜經(jīng)驗，使我們能夠進(jìn)行這項研究。另外，巴斯夫的Henrique
Teles博士也是這項研究的共同作者，他強(qiáng)調(diào)："如果你試圖在錯誤假設(shè)的基礎(chǔ)上優(yōu)化催化劑，那是非常困難的，可能會把你引向完全錯誤的方向。因此，更仔細(xì)地研究這個假設(shè)是很重要的。"
"我們多年來一直致力于解釋均質(zhì)鈦催化劑的反應(yīng)機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)--與文獻(xiàn)中的假設(shè)相反--過氧化氫是由鈦對激活的。來自科隆大學(xué)的合著者Albrecht
Berkessel教授說："我們在目前的研究中看到同質(zhì)催化的研究結(jié)果也適用于異質(zhì)催化，這真的是一個特別的時刻"。而來自柏林Fritz
Haber研究所的合著者Thomas
Lunkenbein博士補(bǔ)充道："我們很高興能夠為這項研究做出貢獻(xiàn)，通過我們的分析證實這些結(jié)論。這項研究對二原子活性中心的認(rèn)識具有根本性的意義，為催化劑研究開辟了新的可能性。"
催化劑的開發(fā)往往是一個黑匣子，它依賴于許多實驗、大規(guī)模篩選和運(yùn)氣。了解所需活性位點的結(jié)構(gòu)對催化劑的合理開發(fā)至關(guān)重要。闡明異質(zhì)催化劑TS-1的反應(yīng)機(jī)理是非常令人驚喜的，為這一存在了40年的催化劑提供了新的啟示，這將有助于改進(jìn)和開發(fā)其他均質(zhì)和異質(zhì)催化劑。
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