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清华大学,最新Nature Synthesis!

2026-02-24
3827

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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)。


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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)。


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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。


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图3. TS-1沸石材料及Au/TS-1催化剂的电子显微镜表征


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图4. 不同形态金/TS样品的高分辨率电子显微镜表征

 

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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

 

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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。


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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。

 

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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.


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