乙醛是一種基本化學構件，在現代製造業中發揮著重要作用。它通常使用基於乙烯的瓦克氧化工藝生產，這是一種昂貴的方法，並且對環境有顯著的缺點。通過選擇性氧化將生物乙醇轉化為乙醛提供了一種更可持續的替代方案，但大多數現有催化劑都面臨著一個熟悉的問題。當活性增加時，選擇性通常會降低，導致乙醛產量低於 90%。
十多年前，研究人員 Liu 和 Hensen 展示了使用 Au/MgCuCr 的重要進展2嘿4 催化劑。他們的工作揭示了Au0-銅+ 該反應在 250 °C 下產生了超過 95% 的乙醛，並在超過 500 小時內保持穩定（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032；J. Catal. 2015, 331, 138；J. Catal. 2017, 347, 45）。儘管取得了這一成就，但開發能夠在低溫下實現類似性能的更安全、無毒的催化劑仍然是一個尚未解決的挑戰。
新型金鈣鈦礦催化劑提高性能
華中科技大學劉平教授和埃因霍溫理工大學Emil J. M. Hensen教授領導的研究團隊最近取得的進展代表著向前邁出了重要的一步。該團隊設計了一系列Au/LaMnCuO3 具有不同錳銅比例的催化劑。其中有Au/LaMn0.75銅0.25嘿3 其特點是金納米顆粒與輕度銅摻雜的LaMnO之間存在強協同相互作用3 鈣鈦礦結構。
這種精心調整的協同作用可以在低於 250°C 的溫度下實現有效的乙醇氧化。新催化劑的性能優於舊的 Au/MgCuCr2嘿4 符合標準，研究結果發表在《催化學報》上。
改進催化劑設計以提高生產率和穩定性
為了提高將生物乙醇轉化為乙醛（一種用於塑料和製藥的有價值的化學品）的效率，研究人員專注於基於鈣鈦礦的催化劑載體。這些材料採用溶膠-凝膠燃燒工藝生產，然後塗有金納米粒子。通過調整錳和銅的含量，團隊確定了理想的組合（Au/LaMn0.75銅0.25嘿3），在 225 °C 下乙醛產量達到 95%，並保持穩定 80 小時。
銅含量較高的催化劑表現較差，主要是因為銅在反應過程中往往會失去其活性化學狀態。優化後的催化劑的強大性能歸因於金、錳和銅離子之間的協同反應。
金、銅、錳如何協同作用
為了解釋為什麼新催化劑表現如此出色，研究人員利用密度泛函理論和精確的動力學模型進行了詳細的計算研究。這些模擬表明，將銅引入鈣鈦礦結構中會在金顆粒附近產生高活性位點。這些位點促進氧和乙醇分子的相互作用。
改進的催化劑還降低了關鍵反應步驟的能壘，使該過程能夠更有效地進行。實驗數據和理論模型共同強調了微調催化劑成分以實現更高效率和更好穩定性的重要性。
