催化剂是帮助反应发生的主力。它们将原始材料，如化石燃料、生物质能甚至废物，转化为能源最低的产品和燃料。
特拉华大学(University of Delaware)能源创新催化中心(CCEI)的研究人员发现了一种方法，可以提高金属-金属氧化物催化剂的能力，将非食用植物，如木材、草和玉米秸秆(收获后留在田里的叶子、茎和玉米芯)转化为可再生燃料、化学品和塑料。
金属-金属氧化物催化剂是石化、精细化工、制药和生物质升级反应的核心。
该研究团队的策略利用了氧化铂钨催化剂的动态特性，将这些起始材料转化为产品的速度比传统方法快10倍。这是一种创新的催化技术，可以帮助我们开创一个更可持续、更绿色的未来，在这个未来，生产过程需要更少的催化剂，从而减少浪费和整体能源消耗。
CCEI的研究人员在2月21日的《自然催化》杂志上发表了他们的发现。
提高催化剂活性
催化剂的表面含有多个发生化学反应的活性位点。这些活性位点是敏感的和动态的，以高度复杂和往往难以预测的方式响应环境的变化。因此，对于这些活性位点上的过程是如何运作的，以及这些位点如何与周围环境相互作用，我们知之甚少。提高理解的传统方法，如在化学反应堆的静态条件下研究催化剂，是行不通的。
因此，CCEI的研究人员结合了建模、先进的合成技术、原位光谱和探针反应，以更好地了解铂和三氧化钨催化剂材料是如何结合在一起的，它们采用什么结构，以及催化剂表面发生了什么。研究小组特别感兴趣的是，催化剂上的活性位点(化学反应发生的地方)如何随着时间的推移而变化，以及当暴露于特定的变化时。
“通过识别他们动态的迹象，我们能够第一次建立一个稳健的模型，来预测他们在各种工作环境中的行为。”该论文的第一作者付佳宜说。付佳宜最近获得了UD的化学工程博士学位，现在在百时美施贵宝工作。
傅解释说，催化剂表面——就像植物一样——在阳光和养分的适当平衡下茁壮成长。研究团队成功地展示了一种新的“灌溉”策略，该策略使用氢脉冲显著增加这些催化剂上的活性位点，使反应速度加快10倍。
“我们实际上并没有给催化剂浇水，这只是一个比喻。但是，通过脉冲打开和关闭氢气，我们通过一个被称为羟基化的过程，创造了这些模拟水的活性位点。”丹里奇能源学院主席、化学和生物分子工程教授、CCEI主任迪昂·瓦拉科斯说。这些活性位点会发生化学反应。所以，就像光和水滋养植物一样，我们在这里用氢气‘浇灌’催化剂，让它产生或生长新的化学物质。”
特拉华能源研究所主任Vlachos说，这项工作说明了模拟如何预测催化行为，并使更有效的催化过程的合理设计成为可能的成功例子。这些发现也为研究、理解和控制这类重要的催化剂提供了可行的方法。
“众所周知，催化剂会进化并对环境做出反应，但它们的进化速度很快，很难实时观察到这种方式。”他说。“这项工作为如何分析他们的工作行为提供了平台，更重要的是，如何设计他们以实现前所未有的绩效提升。”
CCEI领导的项目团队包括来自特拉华大学、宾夕法尼亚大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、布鲁克海文国家实验室、石溪大学、天津大学、大连化学物理研究所和上海交通大学的研究人员。
能源创新催化中心成立于2009年，是由美国能源部资助的两个能源前沿研究中心之一。该中心由来自多所大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员组成。
来源:https://www.udel.edu/