In einer Studie veröffentlicht im Tagebuch National Science Reviewein von Dr. Shen Yu synthetisiertes Material, wurde verwendet, um Hydroperoxid in das Synthesesystem von Titansilikaten einzuführen.
Zunächst nutzte er dieses Material als Referenzprobe für ein anderes Projekt und führte an diesem Katalysator katalytische oxidative Entschwefelungstests durch. Zufällig stellte er fest, dass dieser Katalysator alle thiophenischen Schwefelverbindungen innerhalb von Minuten vollständig entfernte, was viel effizienter war als alle anderen Katalysatoren.
„Ich habe mich fast davon überzeugt, dass mit meinen Operationen etwas nicht stimmen könnte“, sagt Dr. Yu.
Die Betreuer Prof. Li-hua Chen und Prof. Bao-Lian Su waren der Meinung, dass systematische Untersuchungen durchgeführt werden sollten, um zu bestätigen, ob es in diesem Material einige spezielle katalytische Stellen gibt. Darüber hinaus nutzte das Team eine Reihe fortschrittlicher Spektroskopietechniken, um die aktiven Zentren im Inneren zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass auf der Oberfläche von Mesoporen neuartige sechsfach koordinierte Ti (TiO6)-Stellen vorhanden waren.
Solche TiO6-Stellen waren asymmetrisch und einfach verteilt und konnten sperrige Gastmoleküle aufnehmen. Da Reaktantenmoleküle nur auf die Mesoporenoberfläche zugreifen können und nur TiO6-Stellen auf der Mesoporenoberfläche beobachtet werden können. Dieses Team führte die überlegene katalytische oxidative Entschwefelungsleistung auf die neuartigen TiO6-Einzelstellen zurück.
„Wir sind so gespannt darauf, die spezifischen aktiven Stellen zu lokalisieren, aber wir sollten herausfinden, warum sie so aktiv sind“, sagt Prof. Chen.
Dr. Yu führte daher theoretische Berechnungen durch, um weitere Einblicke in den katalytischen Mechanismus zu erhalten. Er entdeckte, dass zwei Ti-OH-Gruppen der TiO6-Stelle über ein zusätzliches Wasserstoffbindungsnetzwerk mit Oxidationsmitteln interagieren können, und führte zu einem Reaktionsweg mit niedriger Energie. „Sie wirken wie zwei alte Freunde, die problemlos zusammenarbeiten und jede Aufgabe erfüllen können“, sagt Dr. Yu.
Um zu beweisen, dass es sich bei diesem Material nicht um eine gelegentliche Situation handelte, führte Dr. Yu systematische experimentelle Untersuchungen und gründliche Charakterisierungen durch, um den Bildungsmechanismus von Ti-Stellen aufzudecken.
Es wurde ein einzigartiges Hydrolyseprodukt von TiOOH identifiziert. TiOOH besitzt eine 155-mal höhere Ionisierungsfähigkeit als das herkömmliche Hydrolyseprodukt von TiOH, was bedeutet, dass durch elektrostatische Wechselwirkung mit positiv geladenen Tensidmizellen eine beträchtliche Menge TiOO– gebildet und an der elektrostatischen Grenzfläche verteilt wird.
Nach dem Entfernen der Tensidmizellen bildeten sich Mesoporen und Ti-Stellen befanden sich auf der Mesoporenoberfläche. Bemerkenswert ist, dass dieses TiOO– nur in TiO6-Stellen umgewandelt werden kann. „Diese neuen Erkenntnisse werden auf jeden Fall große Aufmerksamkeit auf sich ziehen, wenn es darum geht, gut zugängliche, hochaktive katalytische Zentren an Grenzflächen zu entwerfen, um die Entwicklung der Grenzflächenkatalyse voranzutreiben“, sagt Prof. Su.
Der präzise Aufbau katalytischer Zentren ist eine große Herausforderung auf dem Gebiet der Katalyse mit dem Ziel, die katalytische Effizienz von Katalysatoren zu maximieren. Die Beziehung zwischen der Struktur und dem Verteilungsmodell des katalytischen Zentrums und der katalytischen Zielreaktion wird noch untersucht.
Diese Arbeit ist ein typisches Beispiel für die präzise Gestaltung der Struktur und Lage aktiver Zentren, die mit minimiertem Energieverbrauch und hoher Effizienz zur neuen Ära der Grenzflächenkatalyse beitragen könnte.
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Shen Yu et al., Technische Oberflächengerüst-TiO6-Einzelstellen für beispiellose tiefe oxidative Entschwefelung, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae085