近日，我所理论催化创新特区研究组（05T8组）肖建平研究员团队、碳基能源纳米材料研究组（DNL2102组）焦峰副研究员等与大连理工大学曲振平教授团队就甲醛氧化消除双功能催化剂研发开展合作，通过理论与实验协作，揭示了分子筛—金属（ZSM-5||Ag）双功能催化剂中，组分间紧密程度对甲醛氧化活性的调控机制。
通过空间分离具有不同功能的活性组分，设计构建双功能催化剂已经在大量重要的多相催化反应过程中取得成功。例如，合作团队前期提出的氧化物—分子筛（OXZEO）双功能催化剂体系，有效破解了合成气直接转化过程中C-C偶联精准控制难的挑战（Science，2016；Angew. Chem.，2018；Angew. Chem.，2019；Angew. Chem.，2020；Chem. Rev.，2021）。大量围绕双功能催化剂的研究已经意识到，双功能催化剂的综合性能不仅由各独立功能组分的催化特性决定，更取决于功能组分之间的紧密程度（ACS Catal.，2021）。
本工作中，研究人员发现ZSM-5与Ag纳米颗粒之间紧密程度存在“火山型曲线”关系，即不同活性组分之间并非“越紧密越好”关系。同步辐射时间飞行质谱、原位红外光谱及模型实验共同证明，该过程中甲醛首先被分子筛B酸位点转化为甲酸甲酯中间物种。相较于甲醛，甲酸甲酯可以在更低温度被Ag氧化消除。而分子筛与Ag混合过于紧密情况下，无法保证甲醛被完全转化为甲酸甲酯。未消耗的甲醛分子会吸附占据Ag活性位，进而抑制了甲酸甲酯在Ag位点的氧化效率，导致双功能催化剂综合活性降低。理论计算进一步验证了上述结论，并发现Ag催化甲酸甲酯氧化路径，可有效抑制甲醛直接氧化过程中难以被进一步氧化的H2COO*（DOM）中间体的形成，因此提高了催化活性。
相关研究成果以“Bifunctional Zeolites-silver Catalyst Enabled Tandem Oxidation of Formaldehyde at Low Temperatures”为题，发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 焦峰、李娜、董雪）
