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自然科学工作动态

我校在绿色催化方面取得重要进展

发布时间:2019-04-22 信息来源:

近日,化学化工学院绿色催化课题组在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 5220-5230)上发表了题为“A Pickering Emulsion-Derived Liquid-Solid Hybrid Catalystfor Bridging Homogeneous and Heterogeneous Catalysis”研究论文,提出了固液杂化催化材料的概念,成功实现了酶、金属配合等均相催化剂的绿色高效连续流动催化。该研究得到了国际同行的高度评价,被选为该期刊封面文章。

催化在现代化学工业中占据着极为重要的地位,发展绿色高效催化体系始终是催化研究的核心问题。均相催化剂通常具有高活性与高选择性的特点,但是分离和循环使用困难限制了其实际应用。多相催化剂活性和选择性相对较低,但易分离、连续化操作,广泛应用于工业过程。如何将均相催化剂和多相催化剂优点有效地结合起来,设计更高效的催化体系,一直是国际上催化领域要攻克的难题。

杨恒权教授课题组长期致力于发展绿色高效催化体系,在前期研究中提出了Pickering乳滴固定床催化概念(J. Am. Chem. Soc.2016,138, 10173-10783;J. Am. Chem. Soc. 2017, 139,48,17387-17396),实现了油水两相体系连续流动催化反应。在该项研究中,将乳滴固定床催化概念拓展到固-液杂化催化体系,发展了乳滴表面交联方法,制备了离子液体核-多孔氧化硅壳的新型固液杂化材料,显著提高了Pickering乳液的稳定性,使乳滴固定床催化概念应用更加广泛。该杂化材料的离子液体核为酶、分子催化剂等催化活性单元提供了微纳空间和均相催化环境,其多孔氧化硅壳层赋予材料固体催化剂的特性。将该催化剂填充于柱状反应器中,并用于连续流动反应,流动相中的反应物通过多孔壳层进入到溶解有分子催化剂或酶的离子液体核中,发生“均相”反应过程,生成的产物则通过固体壳层扩散进入流动相。该体系具有良好的普适性,可用于酶催化的酯交换反应、Cr(Salen)催化的环氧化物手性开环反应、钯催化的Tsuji-Trost偶联反应等。相对于传统的两相催化反应体系,该连续流动反应体系的活性可提高1.6~16倍,且可连续流动反应1500小时后仍保持较高的催化选择性和活性。研究还发现,通过调控固体液体杂化材料的颗粒尺寸、壳层厚度、内部催化单元浓度等参数可实现催化剂性能的调控,获得单一均相催化剂和多相催化剂难以获得的性能。该固液杂化催化剂的特点在于无需要对均相催化剂或酶进行修饰,并且在催化反应中最大程度保持了均相催化的特征,是其它多相化方法所不具备的。该研究突破了传统催化剂设计思路,不仅为搭建均相催化、多相催化、生物催化的新桥梁提供了新途径,而且为认知及调控微纳空间中的催化反应奠定了科学基础,还为均相催化剂及酶的工业应用带来了新的机会。论文发表后,受到了企业界的关注。

该论文第一作者是青年教师张晓明博士和硕士生侯屹婷,通讯作者是杨恒权教授。该工作得到了国家自然科学基金重点、面上及青年等项目资助。