▲第一作者：苗改，石磊，周志民；通讯作者：孙予罕，孔令照，李圣刚
通讯单位：中国科学院上海高等研究院，中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室https://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c04167中科院低碳转化科学与工程重点实验室暨上海高研院-上海科技大学低碳能源联合实验室孙予罕研究员、孔令照研究员和李圣刚研究员所带领的团队在甘油加氢脱氧催化剂设计开发中取得了重要进展，实现了理论计算指导下快速设计并合成出高效的双金属催化剂用于甘油加氢脱氧高效制备1,3-丙二醇（图1）。甘油（丙三醇）作为生物质转化制备生物柴油过程中的主要副产物，2019年全球产量约200万吨，产能严重过剩导致价格十分低廉，如果能够将甘油经化学手段转化成为高附加值的化学品，可以进一步提升生物质资源化利用效率。1,3-丙二醇可广泛用于溶剂、化妆品、医药、抗冻剂、防腐剂、增塑剂等的领域，作为生产聚酯（PTT）的重要原料，全球年需求约200万吨，而目前国内1,3-丙二醇年产能仅10万吨，市场需求十分旺盛。从化学式上看，1,3-丙二醇与甘油仅相差一个中间位的羟基，因此，如何通过选择性加氢脱氧实现甘油定向转化为1,3-丙二醇受到学术界和工业界的广泛关注。然而，由于甘油脱去端位羟基在热力学上更为有利，在传统加氢催化剂（如Ni，Cu，Pd基催化剂）作用下更易于生成1,2-丙二醇。因此，要提高1,3-丙二醇选择性需要对催化剂结构进行合理设计，创建有利于1,3-丙二醇生成的动力学环境，在稳定端位羟基的同时有效脱除中间位羟基，这对高效催化剂设计开发提出了新的挑战。基于上述挑战，该研究组首先对前人研究工作进行全面的数据分析，筛选出适于甘油加氢脱氧制备1,3-丙二醇的Pt-W体系的催化剂，并确定适合该反应发生的反应边界条件；然后通过密度泛函理论（DFT）计算发现Pt/WOx界面结构以及高度分散在Pt团簇上的寡聚态WOx有利于反应物的吸附，有效降低甘油脱除中间位羟基的反应能垒，从而有利于1,3-丙二醇的选择性生成。在DFT理论计算的指导下，研究团队充分利用分子筛的结构特征，选择具有良好分散能力的β分子筛为载体，快速合成出了高度分散的Pt/WOx/β催化剂。通过系统的结构及特性表征可知，在β分子筛载体上Pt以纳米簇形式存在，WOx以寡聚态形式存在，并且Pt和WOx相互作用形成特殊的Pt-W界面结构，该合成催化剂的实际结构与理论预测模型吻合一致（图2）。
接着研究团队对所合成的催化剂性能进行系统评价，结果发现该催化剂在温和的反应条件下（140 °C，5MPa H2），能够实现84.2%的甘油转化率以及46.1%的1,3-丙二醇选择性，C3醇的总选择性超过90%。结合催化剂的结构与性能分析表明，低含量的W（0.5wt%）有利于增强催化活性，这与寡聚态WOx物种能够降低甘油吸附能的计算结果吻合。Pt和WOx物种的共同作用对甘油向1,3-丙二醇选择性转化至关重要，这与理论计算预测的Pt/WOx界面结构作用机制一致。另外，1,2-丙二醇、1,3丙二醇和甘油在Pt/WOx/β催化下的反应结果进一步验证了催化剂在选择性脱去中间位羟基的明显优势（图3）。该研究工作发展了理论与催化有机结合的甘油加氢脱氧制备1,3-丙二醇催化剂设计新策略，在对前人成果进行全面数据分析的基础上，将理论计算与催化过程紧密结合，在低Pt含量（1.5 wt%）和温和条件下实现了甘油高选择性制备1,3-丙二醇，所制备催化剂表现出的优良活性及稳定性有望用于甘油制1,3-丙二醇的工业生产之中，该研究方法为后续工业催化剂的设计和快速开发提供崭新的途径和有力的技术支撑。
孙予罕研究员于1983年在郑州大学化学系获得学士学位，1983年至1989年在中科院山西煤炭化学研究所获博士学位。1989年9月至2013年5月历任中科院山西煤化所助理研究员、副研究员、研究员。在此期间于1992年至1995年在英国Brunel大学和1999年至2000年在CalTech作访问研究。1994年首批入选中国科学院“百人计划”，1996年获国家杰出青年科学基金。1996年至2002年任煤转化国家重点实验室主任，2000年至2008年任中科院山西煤炭化学研究所所长，2009年至2014年任中科院-BP清洁能源技术中心董事长，2012年至2017年任中国科学院上海高等研究院副院长，2014年至2020任中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室主任，2018年开始担任上海科创低碳技术创新功能型平台负责人。
孙予罕研究员主要从事含碳资源与CO₂转化利用中催化和工程研究，以及相关纳米材料及其在绿色化学和光学中的应用研究，包括近期的清洁能源战略与解决方案研究。至今，已在Nature, Science, Nature Chem, Nature Comm, Science Advance, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie, Green Chemistry, Chemical Communication, ACS Catalysis, Journal of Catalysis, Journal of Materials Chemistry, Catalysis Today等期刊发表学术论文500余篇, 获得国家发明专利100余项，并先后多次获中科院杰出成就奖、山西省自然科学/技术进步二等奖等。
孔令照，男，1980年5月生，辽宁人，博士，研究员，博士生导师。1998-2005年，在辽宁石油化工大学学习，分获环境工程专业学士、硕士学位，2005-2008年在同济大学学习，获环境科学专业博士学位，2009-2011年，在美国Auburn University化工系进行博士后研究工作，2011-2013年，在中科院青岛生物能源与过程研究所，任副研究员。2013年起在中科院上海高等研究院，历任副研究员、研究员。从事生物质热化学及催化转化方面的研究工作。近年来主持国家自然科学基金、中科院、上海市和壳牌等项目15项，作为核心骨干，参与10个项目的研究工作，在ACS Catalysis、Green chemistry、AIChE Journal、ChemSusChem等杂志上发表学术论文70多篇，申报发明专利32件（授权15件，美国专利1件，PCT专利1件），参编中、英文书籍总计3部。中科院青年促进会会员，中国环境科学学会高级会员，欧洲生物质会议（EUBCE）科学委员会委员，辽宁石油化工大学学报特约编委，2006年获得候祥麟石油加工科学技术奖。
李圣刚，中科院“百人计划”研究员，上海科技大学特聘教授，博士生导师。1995年7月本科毕业于山东大学化学系，2004年8月博士毕业于美国肯塔基大学化学系，2004-2011年供职于美国阿拉巴马大学化学系，2011年4月至今工作于中科院上海高等研究院，2013年起被聘为上海科技大学特聘教授。李圣刚研究员长期从事物理化学、理论化学、催化化学研究，近年来主要开展能源化学研究和催化剂设计工作。作为项目/课题负责人承担国家科技部、国家基金委、中国科学院、壳牌石油公司等国家和企业项目。目前，在SCI期刊共发表学术论文和专著130余篇，其中包括以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Green Chem.、ACS Catal. ACS Cent. Sci.等刊物上发表的论文70余篇，并参编英文书籍总计3部。更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入研之成理后台自主查询。 科研绘图交流群，请添加微信：17857127498写作/表征交流群，请添加微信：xueshan199
