有40年歷史的催化劑的新發現

        硅鈦礦-1(TS-1)在近40年前被開發出來，已成功地用作催化劑，將丙烯轉化為環氧丙烷，這是一種重要的商品化學品，例如用于生產聚氨酯等塑料?，F在，蘇黎世聯邦理工學院、科隆大學、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機制。

        環氧丙烷是化學工業的重要商品，用于生產塑料、防凍劑和液壓油。每年生產的環氧丙烷超過1100萬噸，其中100多萬噸由與過氧化氫（H2O2）氧化生成。該化學反應由硅酸鈦-1(TS-1)催化。硅酸鈦-1是一種多孔的結晶材料，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)。水是唯一的副產品。雖然自近40年前開發出TS-1以來，這種催化工藝已被成功應用，但具體的催化機理尚不清楚。然而，化學研究界的共識是，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性提供了基礎。

        來自蘇黎世聯邦理工學院、科隆大學、柏林的Fritz-Haber-Institute和巴斯夫的一個研究小組對這一假設提出了質疑。在目前發表在《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，而是具有協同效應。

        根據17O固態核磁共振光譜，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，作者進一步表明，這些雙核位點確實能高效促進丙烯的氧化。有趣的是，這種雙核位點的催化模式與過酸的成熟反應機制相似，而過酸是烯氧化最古老、最顯著的試劑。該研究還表明，雙核位點在丙烯環氧化中特別有效，應該考慮開發改進的催化劑。

        "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生才能使這項研究得以進行"，該出版物的相應作者Christophe Copéret說，"我們實驗室最近才開發出一種合成富含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光譜經驗，使我們能夠進行這項研究。另外，巴斯夫的Henrique Teles博士也是這項研究的共同作者，他強調："如果你試圖在錯誤假設的基礎上優化催化劑，那是非常困難的，可能會把你引向完全錯誤的方向。因此，更仔細地研究這個假設是很重要的。"

        "我們多年來一直致力于解釋均質鈦催化劑的反應機制，并發現--與文獻中的假設相反--過氧化氫是由鈦對激活的。來自科隆大學的合著者Albrecht Berkessel教授說："我們在目前的研究中看到同質催化的研究結果也適用于異質催化，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博士補充道："我們很高興能夠為這項研究做出貢獻，通過我們的分析證實這些結論。這項研究對二原子活性中心的認識具有根本性的意義，為催化劑研究開辟了新的可能性。"

        催化劑的開發往往是一個黑匣子，它依賴于許多實驗、大規模篩選和運氣。了解所需活性位點的結構對催化劑的合理開發至關重要。闡明異質催化劑TS-1的反應機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，這將有助于改進和開發其他均質和異質催化劑。