您当前浏览器版本过低,为了不影响您的使用,建议您使用最新的谷歌浏览器、火狐浏览器、 360浏览器,更换浏览器后使用更流畅!(注意!双核浏览器请切换为极速模式)
工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

清华大学,最新Nature Synthesis!

2026-02-24
21811

艾思科蓝官网-版头.gif


640 (55).png


第一作者:Feng He

通讯作者:Quan-Ming Wang (王泉明),Lichen Liu (刘礼晨)

通讯单位:清华大学 

 

研究要点

环氧丙烷(PO)是全球产量最高的化工原料之一,但其绿色合成路径——丙烯与H₂/O₂直接环氧化——却长期受困于一个“亲密性悖论”:催化该反应需要金与钛位点的协同作用,但传统TS-1分子筛的微孔孔径(~0.55 nm)却将金颗粒拒之门外,只能停留于表面,导致活性低、失活快。本研究通过聚合物模板与交联剂的巧妙组合,引导TS-1分子筛围绕聚合物链生长,煅烧后形成贯穿晶体的开放孔道结构,首次实现了金颗粒在分子筛晶体内部的均匀分布与稳定锚定。所得Au/TS-GPI催化剂在丙烯环氧化中表现出三倍于传统催化剂的活性,同时保持>90%的选择性,并成功拓展至1-己烯、环辛烯等大分子底物,100小时寿命测试未见明显衰减。三维电子断层扫描与原位谱学揭示,开放孔道不仅解决了传质瓶颈,更通过构建纳米尺度的Au-Ti“亲密对”,实现了活性氧中间体的直接转移,绕过了H₂O₂的脱附与再吸附步骤。该合成策略还可推广至ZSM-5、Beta、CHA等多种分子筛体系,为多功能分子筛基催化剂的理性设计开辟了新路径(图1)。


640 (56).png

图1. 催化策略示意图

 

一、研究背景

丙烯氧化物(PO)是全球最重要的大宗化学品之一,广泛应用于聚氨酯、涂料、医药等领域。随着绿色化工的发展,传统的氯醇法和共氧化法因其原子经济性低、副产物多等问题逐渐被H₂O₂法(HPPO工艺)所取代。然而,HPPO工艺仍需外源H₂O₂,存在运输与储存风险。因此,以H₂和O₂为原料的直接环氧化路线成为学术界和工业界共同追求的“圣杯”。


金负载于钛硅分子筛(Au/TS-1)是该反应中最具潜力的双功能催化剂:金催化H₂与O₂生成H₂O₂,钛位点则利用原位生成的H₂O₂将丙烯氧化为PO。然而,传统TS-1分子筛的微孔孔径仅为~0.55 nm,金前驱体难以进入孔道内部,导致金颗粒主要分布于分子筛外表面或亚表面区域,与钛位点的空间距离过大,限制了双功能协同效应,且金颗粒易烧结失活。如何在保持TS-1骨架结构的同时,实现金与钛位点的“亲密接触”,是提升催化性能的关键(图2)。


640 (57).png

图2. 丙烯直接与H₂和O₂环氧化反应的催化剂设计挑战

 

二、研究思路

1. 从孔道结构设计到催化剂性能优化

开放孔道TS-1分子筛的设计与合成

研究团队提出了一种全新的策略:在TS-1的合成过程中引入聚乙烯亚胺(PEI)作为聚合物模板,并加入(3-缩水甘油醚氧丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)作为交联剂,引导分子筛晶体围绕聚合物链生长,形成具有高度互联的开孔结构的TS-1分子筛(命名为TS-GPI)。在后续的煅烧过程中,聚合物被去除,留下贯穿晶体的纳米级孔道。


与此相对,传统TS-1经NaOH碱处理(TS-NaOH)虽能引入介孔,但这些孔道多为封闭型,金颗粒仍难以深入晶体内。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜和三维电子断层扫描(图3,图4,图5),研究团队清晰地展示了两种材料中金颗粒的空间分布差异:在Au/TS-GPI中,金颗粒均匀分布于晶体内孔道中;而在Au/TS-NaOH中,金颗粒则集中于表面或亚表面区域。


金颗粒的定位与稳定性分析

通过高分辨HAADF-STEM和iDPC-STEM成像,研究团队进一步确认金颗粒被限域在TS-GPI的孔道交叉点或局部缺陷位点中。这种“笼中金”的结构赋予了金颗粒极高的热稳定性,即使在长时间反应后,颗粒尺寸和分布几乎未发生变化。


X射线吸收光谱和X射线光电子能谱进一步证实(图6),两种催化剂中金的化学状态均为金属态,粒径分布相近(~2.7 nm)。但值得注意的是,Au/TS-GPI在XPS中显示出的金信号强度远低于Au/TS-NaOH,进一步说明金颗粒主要分布在晶体内,而非表面。


640 (58).png

图3. TS-1沸石材料及Au/TS-1催化剂的电子显微镜表征


640 (59).png

图4. 不同形态金/TS样品的高分辨率电子显微镜表征

 

640 (60).png

图5. 通过电子断层扫描技术对Au/TS样品进行三维结构表征

 

640 (61).png

图6. 多种Au/TS-1材料的光谱特性表征


2. 孔道形成机制:聚合物模板与交联剂的协同作用

为了揭示开放孔道的形成机制,研究团队系统追踪了TS-GPI的水热晶化过程。在反应初期,TEOS和TBOT水解生成的硅钛物种通过GPTMS与PEI链发生缩合反应,形成有机-无机复合网络。随着晶化时间延长,分子筛晶核在聚合物链周围定向生长,最终形成包覆聚合物的晶粒。煅烧后,聚合物去除,留下高度互联的开孔结构(图7)


对照实验表明,单独使用PEI而不加GPTMS,只能形成封闭介孔;而使用其他聚合物如PVA、P123等,也无法实现开孔结构。只有当聚合物与双功能交联剂共存时,才能实现“分子筛围绕聚合物链生长”的理想结构。


这一策略不仅适用于TS-1,还可推广至ZSM-5、Beta、MEL、CHA等多种分子筛体系,展现出良好的普适性。


640 (62).png

图7. 具有开放孔隙的分级沸石的形成机制


3. 催化性能:活性、选择性与稳定性的全面提升

在直接丙烯环氧化反应中,Au/TS-GPI催化剂展现出远超Au/TS-NaOH的本征活性(图8)。在相同反应条件下(200°C,C₃H₆:O₂:H₂:N₂ = 10:10:10:70),Au/TS-GPI的PO生成速率约为后者的三倍,同时保持>90%的PO选择性和~30%的H₂利用率。


更为重要的是,Au/TS-GPI还表现出优异的底物普适性。对于1-己烯、环己烯、1-辛烯等大分子烯烃,Au/TS-GPI同样展现出显著的环氧化活性,而Au/TS-NaOH则几乎无效。这表明开放孔道不仅促进了Au-Ti协同,也改善了传质效率。

在稳定性方面,Au/TS-GPI在100小时连续反应中活性未见明显下降,而Au/TS-NaOH则在20小时内迅速失活。电子显微镜和热重分析表明,Au/TS-GPI的抗积碳能力和金颗粒抗烧结能力显著优于对照样。

 

640 (63).png

图8. Au/TS-1催化剂对丙烯直接环氧化反应的催化性能


4. 机制探讨:亲密接触的Au-Ti位点如何提升反应效率

研究团队通过一系列对照实验和谱学表征,深入探讨了Au/TS-GPI高效的原因。电子自旋共振光谱显示,两种催化剂在H₂+O₂反应中生成H₂O₂的速率相近;液相环氧化实验也表明,TS-GPI与TS-NaOH在H₂O₂存在下对丙烯的环氧化活性相近。这说明H₂O₂的生成步骤和传统环氧化步骤并非活性差异的来源。


进一步的理论模拟和催化剂组合实验(如物理混合Au/TS-1与TS-1)表明,只有当金与钛位点处于纳米尺度内的“亲密接触”时,才能实现高效的直接环氧化。研究团队推测,在Au/TS-GPI中,金颗粒表面生成的·OOH等活性中间体可直接“溢出”至相邻钛位点,参与环氧化反应,而无需经历H₂O₂的脱附和再吸附过程,从而显著提高反应效率。

 

三、小结


本研究通过聚合物模板与交联剂协同诱导的策略,成功合成了具有开放孔道结构的TS-1分子筛,并将其用作金催化剂的载体,实现了金颗粒在晶体内的高度分散与稳定锚定。所得Au/TS-GPI催化剂在直接丙烯环氧化反应中表现出三倍于传统催化剂的活性、优异的底物普适性以及卓越的稳定性


从更广的视角看,这一合成策略为多功能分子筛基催化剂的理性设计提供了新思路。开放孔道结构不仅有助于金属活性位的分散与稳定,还能显著改善大分子反应物的传质效率,有望在加氢异构化、加氢裂化、聚烯烃转化等反应中发挥重要作用。


未来,研究团队计划进一步探索不同金属(如Pt、Pd、Ir)与开放孔道分子筛的复合体系,并拓展其在能源转化、绿色合成等领域的应用潜力。

 

原文详情

Feng He, Miguel Lopez-Haro, Tianxiang Chen, et al. A gold catalyst stabilized in an open-porosity TS-1 zeolite for the direct epoxidation of propylene. Nat. Syn. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00988-0.


艾思科蓝官网-版尾.jpg


已收藏 0
点赞 2

学术会议

【桂林线下召开!人工智能多主题会议同期举行!】2026年数智前沿学术周-桂林站
智前沿学术周・桂林站,是聚焦计算机学科前沿发展,创新打造的同址多会联动型国际学术盛会。本次学术周于2026年暑期集中举办多场高水平国际学术会议,覆盖深度学习、人工智能、量子计算、计算成像等前沿方向
2026-08-03
【年度重磅会议/多位院士报告/EI快检索】第七届先进材料与智能制造国际学术会议(ICAMIM 2026)
第七届先进材料和智能制造国际学术会议(ICAMIM 2026)将于2026年8月28-30日在中国广州召开。本次会议旨在加强世界各国的先进材料与智能制造技术交流。
2026-08-28
【SPIE出版,往届已EI检索 | SCIE期刊同步征稿】第六届智能交通系统与智慧城市国际学术会议(ITSSC 2026)
由重庆大学及重庆交通大学联合主办的第六届智能交通系统与智慧城市国际学术会议(ITSSC 2026)将于2026年8月28-30日在中国重庆举行。会议EI检索稳定
2026-08-28
【ACM独立出版|EI检索稳定】第二届商业生成式人工智能国际学术会议(GAIB 2026)
第二届商业生成式人工智能国际学术会议(GAIB 2026)将于2026年7月31日至8月2日于中国深圳举行。大会由香港城市大学主办并获得大力支持,为实现智能化的商业未来奠定坚实的基础。
2026-07-31
【IEEE出版,北京交通大学主办】第六届电子信息工程与计算机技术国际学术会议(EIECT 2026)
第六届电子信息工程与计算机技术国际学术会议(EIECT 2026)暨第六届无线丝绸之路国际学术交流活动(含第五届未来铁路使能技术与需求论坛)拟于2026年9月10-12日在北京交通大学雄安校区举办,
2026-09-04
【IEEE出版|往届2.5个月检索|中山大学主办】第六届计算机科学与区块链国际学术会议(CCSB 2026)
第六届计算机科学与区块链国际学术会议(CCSB 2026)定于2026年8月21-23日在珠海市召开。会议旨在为计算机科学与区块链相关领域的专家学者提供一个交流学术成果、促进合作交流的广泛平台。
2026-08-21
相关资讯

7所高校,齐发Nature!

近日,上海交通大学、北京师范大学、电子科技大学、成都大学、南方科技大学、北京大学、中国科学院大学在Nature发文!

61806

39

2023-03-03

5所“双一流”,齐发Nature!

近日,山西大学、浙江大学、清华大学、复旦大学、北京大学的研究成果发表于Nature。

61126

20

2023-02-27

证据来了!首都医科大学贾建平团队发现不喝酒、不抽烟、定期运动及积极社会接触等健康的生活方式可延缓记忆衰退

证据来了!首都医科大学贾建平团队发现不喝酒、不抽烟、定期运动及积极社会接触等健康的生活方式可延缓记忆衰退

4438

3

2026-07-13

刚刚,2025JCR正式发布!附名单

刚刚,2025JCR正式发布!附名单

4627

4

2026-06-22

《Nature》撤稿风波:一篇论文下架,一场关于谁该被感谢的争论

《Nature》撤稿风波:一篇论文下架,一场关于谁该被感谢的争论

4687

3

2026-06-09

“虚假引用”暴涨,参考文献真实性正在成为投稿新关口

“虚假引用”暴涨,参考文献真实性正在成为投稿新关口

5476

4

2026-06-05
立即开启