一种金催化剂打破了十年绿色化学纪录

十多年前，刘和汉森研究人员利用Au/MgCuCr₂O₄催化剂取得了一项重要进展。他们的研究发现，特定的Au⁰-Cu⁺相互作用能在250°C下使乙醛产率超过95%，且催化剂可稳定运行500多小时（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032；J. Catal. 2015, 331, 138；J. Catal. 2017, 347, 45）。尽管这是一项里程碑式成果，但开发更安全、无毒且能在更低温度下实现类似性能的催化剂仍是未解决的挑战。

新型金基钙钛矿催化剂进一步提升性能
由华中科技大学刘鹏教授和埃因霍温理工大学Emiel J.M.汉森教授领导的研究团队近期取得的进展标志着重要突破。该团队设计了一系列锰铜比例不同的Au/LaMnCuO₃催化剂。其中，Au/LaMn₀.₇₅Cu₀.₂₅O₃因金纳米颗粒与适度铜掺杂的LaMnO₃钙钛矿结构之间存在强烈协同作用而表现突出。这种精心调控的协同作用使得乙醇氧化反应能在250°C以下高效进行。这种新型催化剂性能超过了长期使用的Au/MgCuCr₂O₄基准催化剂，相关成果发表在《催化学报》上。

优化催化剂设计以提高产率和稳定性
为了提高生物乙醇转化为乙醛（一种用于塑料和制药的重要化学品）的效率，研究人员将重点放在钙钛矿基催化剂载体上。这些材料通过溶胶-凝胶燃烧法制备，然后涂上金纳米颗粒。通过调整锰和铜的含量，团队确定了最佳配方（Au/LaMn₀.₇₅Cu₀.₂₅O₃），该配方在225°C下实现了95%的乙醛产率，并能稳定运行80小时。铜含量较高的催化剂性能较差，主要是因为铜在反应过程中容易失去其活性化学状态。优化后的催化剂性能优异，这归因于金、锰和铜离子之间的协同作用。

金、铜和锰如何协同作用
为了解释新型催化剂为何性能如此优异，研究人员利用密度泛函理论和微动力学模型进行了详细的计算研究。这些模拟显示，在钙钛矿结构中引入铜会在金颗粒附近产生高活性位点。这些位点使氧气和乙醇分子更容易发生反应。优化后的催化剂还降低了关键反应步骤的能垒，使反应过程更高效。实验数据和理论模型共同强调，精确调控催化剂组成对于实现更高效率和更好稳定性至关重要。