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鈦硅分子篩（TS-1）并不是一種新型催化劑，其開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用于催化丙烯轉(zhuǎn)化為環(huán)氧丙烷（一種重要的化工基礎(chǔ)化學(xué)品）距今已近40年?，F(xiàn)在，通過(guò)結(jié)合各種研究方法，來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、科隆大學(xué)、弗里茨·哈伯研究所（Fritz Haber Institute）和巴斯夫的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)共同揭示了這種催化劑出乎意料的作用機(jī)制。這些研究結(jié)果將有助于推動(dòng)催化劑研究向前邁出重要的一步。
環(huán)氧丙烷在工業(yè)中用于生產(chǎn)聚氨酯、防凍液添加劑和液壓油等產(chǎn)品。全球化工行業(yè)每年生產(chǎn)超過(guò)1,100萬(wàn)噸環(huán)氧丙烷，其中有100萬(wàn)噸是通過(guò)使用過(guò)氧化氫氧化丙烯來(lái)生產(chǎn)。這種化學(xué)反應(yīng)在TS-1的催化下發(fā)生，TS-1是一種微孔結(jié)晶材料，由硅、氧和少量鈦組成。該催化劑至今已有40年成功應(yīng)用的歷史。專家們?cè)J(rèn)為TS-1中的活性中心包含單一的、孤立的鈦原子，這種結(jié)構(gòu)保證了其特殊的催化劑活性。
然而，來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、科隆大學(xué)、弗里茨·哈伯研究所和巴斯夫的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一假設(shè)提出了質(zhì)疑。 巴斯夫的科學(xué)家Henrique Teles博士解釋道：“近年來(lái)，人們開(kāi)始挑戰(zhàn)關(guān)于反應(yīng)機(jī)制假設(shè)的正確性，因?yàn)檫@一假設(shè)主要依賴于與類似催化劑的類比，而較少依賴于實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是如果該假設(shè)錯(cuò)誤，則很難基于此對(duì)催化劑進(jìn)行優(yōu)化，甚至可能引向完全錯(cuò)誤的方向。因此，我們必須更深入地研究這一假設(shè)。”他是相關(guān)文章的作者之一。此文章是該研究團(tuán)隊(duì)的合作起點(diǎn)。
在一項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志上的研究中，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用固體核磁共振技術(shù)的研究和計(jì)算機(jī)模擬證明，兩個(gè)相鄰的鈦原子對(duì)于解釋特定的催化活性很有必要。研究團(tuán)隊(duì)也由此得出結(jié)論：鈦原子不是孤立的，而是由一對(duì)鈦原子對(duì)組成的催化活性中心。該雜志的通訊作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Christophe Copéret 教授強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“我們所用的研究方法本質(zhì)上來(lái)講并不新穎，但任何一個(gè)研究小組都不可能只靠自己開(kāi)展這項(xiàng)研究。只有結(jié)合不同領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和各種技術(shù)，才有可能更仔細(xì)地研究催化劑的活性中心。”
來(lái)自科隆大學(xué)的合著者Albrecht Berkessel教授表示：“我們多年來(lái)一直致力于闡述均相鈦催化劑的反應(yīng)機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫由一對(duì)鈦原子對(duì)激活，這與文獻(xiàn)中的假設(shè)相反。我們?cè)诋?dāng)前研究中看到均相催化的研究結(jié)果也適用于多相催化，這真的是一個(gè)特別的時(shí)刻。”來(lái)自柏林弗里茨·哈伯研究所的合著者Thomas Lunkenbein博士補(bǔ)充道：“我們很高興能夠?yàn)檫@項(xiàng)研究做出貢獻(xiàn)。我們的分析手段佐證了這些結(jié)論。這項(xiàng)研究對(duì)雙原子活性中心的認(rèn)識(shí)具有根本性的意義，并為催化劑研究帶來(lái)了新可能。”
團(tuán)隊(duì)確信，該項(xiàng)研究結(jié)果不僅有助于改進(jìn)現(xiàn)有催化劑，而且有助于開(kāi)發(fā)新的均相和多相催化劑。
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