研究人員開發三金屬催化劑 提高乙醛生產效率與選擇性

醛類化合物乙醛是製造無數日常產品的重要化學物質，從香水和合成香料到塑料和樹脂，乙醛的應用範圍十分廣泛。然而，如何高效地生產乙醛一直是一個挑戰，因為將乙醇轉化為乙醛的催化劑通常會隨著時間的推移逐漸失去活性，產生不必要的副產物，或是發生分解。近期，研究人員開發出一種三金屬催化劑，以不尋常的方式解決這些長期存在的問題。他們在銀基體內部結合了鉑和鉻原子，創造出被稱為異金屬對位的微小啞鈴結構。

這些原子對能夠選擇性地去除轉化乙醇為乙醛所需的氫原子，同時抑制在類似的鉑-銀和鉻-銀催化劑中觀察到的失活途徑。研究之一的作者及美國史東布魯克大學的化學家安納託利·弗倫克爾表示：「我們的催化劑解決了化學中的一個重要問題，因為它完成了一次選擇性的脱氫反應：它不會去除所有氫原子，而僅僅去除必要的氫原子。」此外，由於該過程以可從農作物殘留物、林業廢物和食品廢物等生物質中產生的乙醇為起點，這也為傳統石油化工生產提供了一個更可持續的替代方案。

新催化劑的創新設計

突破傳統催化劑的限制，催化劑能夠加速化學反應而不被消耗，但製作一個既快速又具選擇性的催化劑卻十分困難。在乙醇脱氫反應中，傳統催化劑在去除所需的氫原子後，常常繼續反應，觸發不必要的反應。隨著時間的推移，這些催化劑也可能被碳沉積物覆蓋，稱為焦化，或是發生結構變化，導致性能降低。為瞭解決這些問題，研究人員轉向量子力學計算，預測鉑和鉻原子在銀基體內部會自然配對。佛羅裏達大學的化學家及研究之一的作者傑森·韋弗表示：「之前的量子化學計算和表面科學實驗顯示，鉑-鉻對在銀中優先形成，並展現出與孤立的鉑和鉻位點不同的電子結構，

從而使其具備獨特的表面化學性質。」隨後，研究團隊製造了合金的薄膜，以測試這些預測的原子對是否真的形成。

研究人員結合多種先進技術，從內部檢視催化劑。在布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源 II，X 射線吸收精細結構（XAFS）測量確認了鉑和鉻原子確實在銀基體內部配對。隨後，催化劑的表面在瑞典的 MAX IV 同步輻射下進行了分析，使用表面敏感的 XAFS 和環境壓力 X 射線光電子能譜學（AP-XPS），使科學家能夠觀察催化劑在積極轉化乙醇時的情況。這些測量顯示，只有含有鉑-鉻對的催化劑能有效地生產乙醛。

額外的掃描透射電子顯微鏡（STEM）則對銀基體內的鉑和鉻原子分佈進行了映射，進一步證明瞭這種不尋常的原子排列對催化劑行為的影響。研究之一的作者、馬爾默大學的物理副教授林賽·梅爾特表示：「將這些與來自表面敏感 XAFS 的局部鍵合信息結合起來，能夠提供催化劑狀態及其對性能影響的完整畫面。」

催化劑性能與穩定性

催化測試顯示，三金屬鉑-鉻-銀催化劑在約 200°C 開始活化，並穩步提升其活性至 350°C，選擇性地將乙醇轉化為乙醛和氫，質量光譜法確認這些為主要氣體產品。相比之下，鉑-銀催化劑積累了碳沉積物，阻塞了活性位點，而鉻-銀催化劑則因氧化而變得不那麼有效。鉑-鉻對大大抑制了這兩種失活途徑，使催化劑保持活性更久。研究人員還發現，這些異金屬對位即使在相對較高的活性金屬負載下也保持穩定，解決了許多原子分散催化劑的常見限制。

以往的研究表明，精心設計的不同金屬對可能超越孤立的單原子，但這項研究提供了在現實反應條件下這種異金屬對位運作的實驗證據。

這項研究提供了一種新的催化劑設計藍圖。科學家們可以通過將熟悉的金屬以新的原子夥伴關係排列，來創造持久且更具選擇性的催化劑，而不必尋找全新的材料——這一策略可能不僅有利於乙醇脱氫，還能惠及許多其他工業化學反應。然而，目前這種催化劑僅作為模型薄膜系統進行演示，因此在適應工業反應器之前仍需進一步的工作。研究人員的下一個目標是將相同的原子設計轉化為高比表面積的納米顆粒，以更適合大規模化學製造。

該研究已發表於《應用化學雜誌》（Angewandte Chemie）。

新催化劑對可持續化學的重要性

這項研究的三金屬催化劑不僅提高了乙醛的生產效率，還提供了一種可持續的生產替代方案。由於該催化劑能有效地利用生物質來源的乙醇，這對於減少對傳統石油化工的依賴具有重要意義。此外，這種催化劑的設計藍圖為未來的催化劑開發提供了新的思路，可能在多種工業化學反應中發揮作用，推動化學工業的可持續發展。