（文章來源：科技報告與資訊）

科學家設計了一種催化劑，該催化劑由二氧化鈦表面上超低濃度的鉑（小于十億分之一米的單原子和團簇）組成。他們證明了這種催化劑如何顯著提高斷開特定碳-氧鍵的速率，從而將植物衍生物（糠醇）轉化為潛在的生物燃料（2-甲基呋喃）。他們的方法3月23日發(fā)表于《Nature Catalysis》上，可以應用于設計穩(wěn)定、活性和選擇性的催化劑，該催化劑基于負載在金屬氧化物上的多種金屬，以生物質為原料生產(chǎn)工業(yè)上有用的化學品和燃料分子。

美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的功能納米材料（CFN）界面科學和催化小組的研究人員Anibal Boscoboinik說：“為了使分子產(chǎn)生特定的產(chǎn)物，必須沿著某種途徑進行反應，因為可能發(fā)生許多對所需產(chǎn)物沒有選擇性的副反應。要將糠醇轉化為生物燃料，必須破壞與分子環(huán)狀部分相連的側基上的碳原子和氧原子之間的鍵，而在環(huán)中不產(chǎn)生任何副反應。通常，破壞該鍵的金屬催化劑也會同時激活與環(huán)有關的反應，但是，本研究設計的催化劑僅破壞側基的碳-氧鍵。

芳香環(huán)是原子通過單鍵或雙鍵連接的結構。在源自植物廢料的分子中，芳環(huán)通常具有含氧側基。將植物廢物衍生物轉化為有用的產(chǎn)品需要通過破壞特定的碳-氧鍵，從這些側基中除去氧。

特拉華大學（UD）的能源創(chuàng)新中心（CCEI）的研究人員，也是該催化研究論文的第一作者 Jiayi Fu說：“生物質含有大量的氧氣，需要除去部分氧氣，以留下更多有用的分子來生產(chǎn)可再生燃料、塑料和高性能潤滑劑等。加氫脫氧反應是一種將氫用作從分子中除去氧的反應物的反應，可用于將生物質轉化為增值產(chǎn)品。”

在這項研究中，科學家假設，在適度還原的金屬氧化物的表面上添加貴金屬（會損失和獲得氧原子的那些金屬）會促進加氫脫氧。

UD CCEI研究生，也是該研究的共同第一作者Jonathan Lym說：“從氧化物表面去除氧氣會形成一個固定位點，分子可以固定在該位點上，從而可以斷開和形成必要的鍵。以前在催化和半導體領域的研究也說明了雜質對表面的影響程度。”

為了檢驗他們的假設，研究小組選擇了鉑作為貴金屬，選擇了二氧化鈦作為金屬氧化物。理論計算和建模表明，當將鉑的單個原子引入二氧化鈦表面時，氧空位的形成在能量上更有利。

在UD處合成鉑-二氧化鈦催化劑后，他們使用Brookhaven和Argonne National Labs的設施進行了各種結構和化學表征研究。在CFN電子顯微鏡工廠，他們使用掃描透射電子顯微鏡對催化劑進行了高分辨率成像。在布魯克海文的國家同步加速器光源II（NSLS-II）中，他們使用了原位和Operando軟X射線光譜（IOS）光束線以及快速X射線吸收和散射（QAS）光束線來跟蹤化學（氧化）狀態(tài)鉑金。通過在Argonne的高級光子源（APS）上進行的補充X射線光譜研究，他們確定了催化劑中原子之間的距離。

回到特拉華州，該團隊進行了反應性研究，將催化劑和糠醇放入反應器中，并通過氣相色譜法檢測了產(chǎn)物。此外他們還從理論上計算了反應進行不同步驟所需的能量。在這些計算的基礎上，他們進行了計算機模擬以確定最佳的反應途徑。模擬和實驗產(chǎn)物分布均表明當存在低濃度的鉑時，產(chǎn)生的環(huán)反應產(chǎn)物可忽略不計。隨著濃度的增加，鉑原子開始聚集成更大的簇，從而引發(fā)環(huán)反應。

Boscoboinik說：“實驗和模擬計算使我們可以形成催化劑合理設計的概念，從而對非常復雜的材料表面發(fā)生的事情有詳細的了解。這些概念可以幫助預測金屬和金屬氧化物的適當組合，以進行所需的反應，從而將其他分子轉化為有價值的產(chǎn)物。”
（責任編輯：fqj）