硅醇巢修饰Silicalite-1稳定铜颗粒催化乙醇脱氢的性能提升与机制研究

针对铜基催化剂(Cu-based catalysts)在乙醇脱氢反应中易失活的问题，研究人员通过混合溶剂浸渍法和富集MFI分子筛硅醇巢(silanol nests)的策略，成功合成高稳定性Cu/MFI-R催化剂。该催化剂在600小时连续测试中实现>90%乙醇转化率和95%乙醛选择性，为氢相关反应中铜物种的稳定化提供了可规模化解决方案。

　　

随着化石燃料储量减少和环境政策收紧，乙醇作为可再生平台分子的价值日益凸显。其中，非氧化性乙醇脱氢反应因其能同时生产高附加值乙醛和绿色氢能而备受关注。然而，铜基催化剂(Cu-based catalysts)虽具有优异的O-H和C-H键断裂活性，却因铜颗粒(Cu particles)易烧结和制备工艺复杂面临应用瓶颈。尤其对于纯硅分子筛Silicalite-1（MFI结构），其表面硅醇巢(silanol nests)的稀缺性更增加了铜物种稳定化的难度。

为解决这一挑战，研究人员通过机理研究揭示了Cu/MFI催化剂失活的关键因素，创新性地提出双重策略：采用水-乙醇混合溶剂降低表面张力以改善铜分散，同时通过优化水热条件合成富含硅醇巢的MFI-R载体。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外可见光谱(UV-Vis)和固体核磁共振(solid NMR)等表征手段证实，改性后的MFI-R载体能有效锚定铜物种。所得Cu/MFI-R催化剂在600小时连续测试中展现出>90%乙醇转化率和95%乙醛选择性的卓越性能，突破了传统铜基催化剂稳定性差的限制。

关键技术方法包括：混合溶剂浸渍法调控铜分散、水热合成法构建MFI-R载体、FT-IR和UV-Vis表征硅醇巢密度、固体NMR分析化学环境。所有实验均采用工业级试剂，未涉及特殊生物样本。

【Supports preparation】
通过优化TEOS/TPAOH摩尔比（1.0SiO₂
/0.5TPAOH/30H₂
O）的水热条件，成功合成具有丰富结构缺陷的MFI-R载体，其硅醇巢密度较传统MFI提升3倍。

【Deactivation mechanism study】
失活机理研究表明，传统20%Cu/MFI催化剂在反应初期（4小时内）乙醇转化率从93%骤降至61%，主要归因于铜颗粒迁移聚集形成的烧结体。

【Conclusion】
该研究通过理性设计载体缺陷位点和优化制备工艺，实现了铜物种在疏水表面的均匀分散与稳定锚定。所开发的催化剂兼具高活性和长寿命特性，为可再生能源转化中金属催化剂的工业化应用提供了新范式。

讨论部分强调，该方法通过调控分子筛结晶过程创造锚定位点，避免了传统合金化或封装策略的复杂工序。特别值得注意的是，硅醇巢与铜颗粒形成的Si-O-Cu界面能有效抑制烧结，这一发现可拓展至其他涉及氢转移的反应体系。论文成果发表于《Applied Catalysis A: General》，为绿色化学工程提供了兼具学术价值和应用潜力的解决方案。