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       2025年3月12日，南开大学有机新物质创造前沿科学中心柴玉超研究员、李兰冬教授团队以“Oxygen Vacancy Engineering on Pt/WO_x/Nb₂O₅ Catalysts towardEfficient 1,3-Propanediol Production from Glycerol Hydrogenolysis”为题在《ACS Catalysis》期刊上发表最新科研成果，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。该研究通过多步合成策略，成功构建了具有丰富氧空位（OVs）和强Pt^δ+−O−W相互作用的Pt/WO_x/Nb₂O₅催化剂（简称PtWNb），并实现了甘油高效氢解制1,3-PDO。这种催化剂在高浓度甘油溶液（50 wt%）中表现出优异的催化性能，甘油转化率高达94.9%，1,3-PDO选择性达到67.3%，时空产率（STY）为0.490 g g_cat⁻¹ h⁻¹，远超目前已知的催化剂体系。

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背景介绍

       近年来，随着化石燃料的消耗和环境问题的加剧，生物质资源的利用成为了研究热点。甘油作为生物柴油生产过程中的主要副产物，如何将其高效转化为高附加值化学品成为了一个重要课题。1,3-丙二醇（1,3-PDO）作为一种重要的化工原料，广泛应用于聚酯和聚氨酯的生产中。然而，甘油氢解制1,3-PDO的过程中，如何选择性断裂甘油的次级羟基（C₂-OH）仍然是一个巨大的挑战。

图文解析

       团队通过水热、沉淀、高温煅烧和湿浸渍等多步合成策略，成功将Pt-WOx均匀沉积在Nb₂O₅载体上，形成了具有丰富氧空位的PtWNb催化剂。通过扫描透射电子显微镜（STEM）、电子顺磁共振（EPR）、X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，直接观察到了催化剂中氧空位的存在，并证实了Pt^δ+−O−W相互作用的存在。这些氧空位和强相互作用不仅促进了甘油的选择性吸附，还通过氢溢流机制促进了原位Brønsted酸位点的生成，从而显著提升了甘油氢解制1,3-PDO的效率。

图1：PtWNb催化剂的合成和成像。

图2：PtWNb催化剂的微观结构表征。

催化性能与反应机理：

图3：甘油氢解反应的催化性能。

       在催化性能测试中，PtWNb催化剂在高浓度甘油溶液中表现出卓越的催化活性。通过优化反应条件，发现在160°C、7.0 MPa氢气压力下，PtWNb催化剂的1,3-PDO选择性最高，且时空产率显著高于其他对比催化剂（如PtWNb-N和PtWNb-T）。此外，PtWNb催化剂还表现出良好的稳定性和可循环使用性，经过多次反应循环后，催化性能仍能保持稳定。

图4：甘油和1,3-PDO对PtWNb的吸附-解吸行为。

图5：氢活化和酸性特性。

图6：甘油氢解为1,3-PDO的DFT研究。

       通过原位红外光谱（DRIFTS）和密度泛函理论（DFT）计算，进一步揭示了甘油氢解的反应机理。PtWNb催化剂中的氧空位和Pt^δ+−O−W相互作用促进了甘油C₂-OH的选择性吸附和氢活化，进而通过Brønsted酸位点实现了C₂-OH的断裂，最终生成1,3-PDO。DFT计算结果表明，PtWNb催化剂对C₂-OH的吸附能显著高于C₁-OH，这解释了其高选择性的来源。

总结与展望

       本研究通过氧空位工程成功设计了一种高效的Pt/WO_x/Nb₂O₅催化剂，实现了甘油氢解制1,3-PDO的高效转化。该催化剂不仅在高浓度甘油溶液中表现出优异的催化性能，还具有良好的稳定性和可循环使用性，展示了其在工业化生产中的巨大潜力。我们的研究为通过氧空位工程设计高效催化剂提供了新的思路，也为生物质资源的高值化利用开辟了新的途径。

文献信息

Eqi, M.; Yang, Y.; Wu, G.; Li, L.; Chai, Y. OxygenVacancy Engineering on Pt/WO_x/Nb₂O₅ Catalyststoward Efficient 1,3-Propanediol Production from Glycerol Hydrogenolysis. ACSCatalysis, 2025, 15, 5142–5154. 10.1021/acscatal.5c00547