通过将原子排列成微型哑铃，研究人员创造出一种能选择性脱氢且产生更少废弃物的催化剂。
从香水、合成香精到塑料和树脂，乙醛是一种用于制造无数日常产品的化学品。然而，高效生产乙醛一直是个挑战，因为将乙醇转化为乙醛的催化剂会逐渐失活、产生不需要的副产物，或随时间而分解。
如今，研究人员开发出一种三金属催化剂，以不同寻常的方式解决了这些长期问题。他们让铂和铬原子在银基体内配对，形成了被称为异金属对位点的微型哑铃状结构。
这些原子对仅选择性移除将乙醇转化为乙醛所必需的氢原子，同时抑制了在同类铂-银和铬-银催化剂中出现的失活路径。
“我们的催化剂解决了化学中的一个重要问题，因为它实现了选择性脱氢：不是脱除所有氢原子，而是只移除必要的那些，”研究作者之一、石溪大学化学家阿纳托利·弗伦克尔说。
此外，由于该过程起始于可由生物质（如农作物残余、林业废弃物和食物垃圾）生产的乙醇，它也可能为传统石化生产提供一种更可持续的替代方案。
打破传统催化剂的局限
催化剂能加速化学反应而自身不被消耗，但制造一种既快速又具选择性的催化剂却很困难。在乙醇脱氢过程中，传统催化剂往往在移除了所需的氢原子后继续反应，引发不必要的副反应。
随着时间的推移，它们还可能被积碳（称为结焦）覆盖，或发生结构变化，从而降低性能。
为了克服这些问题，研究人员求助于量子力学计算，计算预测铂和铬原子分散在银中时会自然配对。
“我们合作者先前的量子化学计算和表面科学实验表明，铂-铬对在银中优先形成，并展现出与孤立的铂和铬位点不同的电子结构，从而实现了独特的表面化学，”研究作者之一、佛罗里达大学化学家杰森·韦弗说。
随后，团队制备了这些合金的薄膜，以检验预测的原子对是否真的形成。
构建原子图像
研究人员结合多种先进技术，从内到外地审视催化剂。在布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II（NSLS-II）上，X射线吸收精细结构（XAFS）测量证实，铂和铬原子确实在整个银基体中成对存在。
接着，在瑞典MAX IV同步辐射装置上，利用表面敏感XAFS和环境压力X射线光电子能谱（AP-XPS）对催化剂表面进行分析，使科学家能够在催化剂实际转化乙醇时对其进行观测。
这些测量结果显示，只有含有铂-铬对的催化剂才能高效生产乙醛。
进一步的扫描透射电子显微镜（STEM）绘制了铂和铬原子在银基体中的分布图，为这种不寻常的原子排列决定了催化剂的行为提供了更多证据。
“将此与表面敏感XAFS给出的局域成键信息相结合，就能真正完整地揭示催化剂的状态及其对性能的影响，”研究作者之一、马尔默大学物理学副教授林赛·默特说。
微小原子对，巨大收益
催化测试显示，三金属铂-铬-银催化剂约在200°C时开始起活，并稳步提升活性直至350°C，在此温度下，它选择性地将乙醇转化为乙醛和氢气，质谱确定这些为主要气态产物。
相比之下，铂-银催化剂会积累堵塞活性位点的积碳，而铬-银催化剂则因氧化而效能下降。
铂-铬对极大地抑制了这两种失活途径，使催化剂能更长时间保持活性。
研究人员还发现，这些异金属对位点即使在较高的活性金属负载量下也能保持稳定，从而解决了众多原子级分散催化剂的一个常见局限。
此前的研究曾表明，精心设计的不同金属对可能优于孤立的单原子，而这项工作提供了实验证据，证明此类异金属对位点可在实际反应条件下运行。
催化剂设计的新策略
这项研究为催化剂设计提供了新的蓝图。科学家或许无需寻找全新材料，只需将熟悉的金属以新颖的原子搭档方式组合，就能创造出更持久、更具选择性的催化剂——这一策略不仅有益于乙醇脱氢，也可惠及许多其他工业化学反应。
然而，该催化剂目前仅在模型薄膜系统中得到验证，尚需进一步工作才能适配工业反应器。
研究人员的下一个目标是将同样的原子设计转化为高比表面积纳米颗粒，这类颗粒更适合大规模化学品生产。
该研究发表于《德国应用化学》期刊。
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！
热门跟贴