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工业用多相催化剂具有高性能和高材料复杂性。将这种复杂性分解成简化的模型可以简化机理研究。然而，这种方法削弱了相关性，因为模型的性能通常较差。在此，来自德国巴斯夫公司的KazuhikoAmakawa等研究者提出了一种全面的方法，以工业生产为基础来揭示高性能的起源。结合动力学和结构分析，展示了Bi-Mo-Co-Fe-K-O工业丙烯醛催化剂的性能。用负载在β-Co1−xFexMoO4上的K修饰的表面BiMoO团簇进行丙烯氧化，而K掺杂的钼酸铁汇集电子以激活氧。纳米结构的富空位和自掺杂体相确保了两个活性位点之间的电荷传输。这种真实系统特有的功能实现了高性能。相关论文以题为“Architecture of industrial Bi-Mo-Co-Fe-K-O propene oxidation catalysts”发表在Science Advances上。 论文链接： https://www./doi/10.1126/sciadv.adh5331
多相催化，在向社会提供化学品和燃料方面起着重要作用。优化的工业催化剂大多是复杂的多组分体系，除贱金属元素外，由一种或多种元素促进，可以单独进行所需的催化，尽管性能一般。促进剂的突出例子包括铁基氨合成催化剂中的K和Al，铜基甲醇合成催化剂中的Zn和Al。由启动子增加的复杂性使得机制理解极具挑战性，并威胁到处理简化但性能较差的系统的模型研究的相关性，经常导致有争议的机制观点。例如，作为研究最多的体系之一，Cu/ZnO/Al2O3甲醇合成催化剂的高性能的起源，尽管在工业上使用了几十年，但仍然是一个激烈争论的问题。因此，对工业催化剂的全面机理了解很少。 多组分钼酸盐(MCM)和丙烯(amm)氧化催化剂用于工业生产丙烯酸(通过丙烯醛中间体)和丙烯腈这两种重要的商品单体，年产量总计>15吨。MCM催化剂代表了一个突出的多促进体系，具有很高的材料复杂性和实际意义。纯二元钼酸铋可以在丙烯氧化中以高选择性形成丙烯醛，而具有更高活性(>20因子)的工业MCM催化剂至少含有三种以上的促进剂金属元素:二价阳离子(Co2+和/或Ni2+)、Fe3+和K+，形成(至少)五组分体系。忽略它们中的任何一个都会大大降低性能。 工业丙烯醛催化剂的典型元素组成，如Mo12Bi0.6Co7Fe3K0.08Si1.6Ox和Mo12Bi1.8Co5.2Ni2.8Fe1.8K0.1Ox，具有高的二价Co2+和/或Ni2+含量，Bi/Mo比显著低于二元钼酸铋(如α-Bi2Mo3O12)。该体系含有多种钼酸盐相：钼酸钴(β-和α-CoMoO4)、钼酸铁Fe2Mo3O12和α-钼酸铋α-Bi2Mo3O12。白钨矿型结构的α-Bi2Mo3O12通常被认为是相关的活性组分，而Fe掺杂的-钼酸钴β-Co1−xFexMoO4和Fe2Mo3O12则被认为是氧化还原介导载体，激活O2，在还原的α-Bi2Mo3O12上补充晶格氧。假设的反应机制涉及两种空间分离的位点，分别进行丙烯氧化成丙烯醛和O2活化，同时通过氧原子在体中的传输连接。这些机制的见解主要是通过使用简化材料的模型研究得出的，其相关性有待证实。此外，对k启动子的机制作用知之甚少。 在此，研究者揭示了工业MCM催化剂的结构，并提供了复杂的结构特征如何与性能相关联的机理解释。结合动力学和结构分析，我们展示了Bi-Mo-Co-Fe-K-O工业丙烯醛催化剂的性能是如何发生的。由β-Co1−xFexMoO4负载的K修饰的BiMoO表面系综进行丙烯氧化，而掺杂K的钼酸铁则聚集电子激活氧气。纳米结构的富空位和自掺杂体相保证了两个活性位点之间的电荷传输。实际系统特有的特性使其具有较高的性能。
图 1：MCM催化剂的结构与功能分析。
图 2：K掺杂对丙烯氧化催化及材料性质的影响。
图 3：提出工业用Bi-Mo-Co-Fe-K-O催化剂丙烯氧化制丙烯的模型。 综上所述，研究者表明，工业催化剂的材料复杂性与使其具有高性能的功能复杂性有关。为了理解真正的工业催化剂，对真实系统的性能和材料特性进行仔细的基准测试是至关重要的，因为这些特征使得与模型系统的偏差(“材料和复杂性差距”)可测量，从而允许适当设计研究，解决结构-功能关系。研究者以工业基准为中心的方法，为解决工业和模型催化剂之间的差距提供了一种通用和实用的方法。（文：水生） |
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