消除水分子的阻礙 遇見更好的生物燃料

圖注：【該團隊排除了兩個普通的關于水在沸石催化劑中所起作用的推測。他們證實了水并不能影響酸性（或改變酸強），同時水對生物的活性亦毫無影響。】

材料牛注：水是生命之源，燃料是動力之源，當水與火相遇，在水花與火種激戰時，看科學家們如何玩轉氧原子，火中脫水。

摘要：眾所周知，移除氧原子是將生物材料轉化為燃料最為重要的一步。科學家們發現水可以生成一種高穩定性的中間體，干擾兩個氧原子的移動路徑，并將在反應進程中持續損耗能量。

在從農業廢棄物和其他生物質中產生燃料的過程里，水弱化了固體酸催化劑的催化能力，導致時間和能量的耗費。但科學家們還不知道這個不利的反應究竟如何發生，讓我們一起跟著西北太平洋國家實驗室的團隊和德國大學的陸軍少校揭開謎底吧。

基于移除氧原子在生物燃料生產中極為重要，該團隊主要研究水利用沸石催化劑干擾兩個氧原子移動路徑的原理。他們明確地演示了水促進生成高穩定性中間體的過程，并發現這個過程就像推著大圓石上山坡，其中耗費的能量往往更多。

一個鉆研了PNNL三年并參與此次聯合研究的Hui Shi博士說：“水在生物質原料中大量存在，了解水在其中的影響對設計和合成抗水化催化劑材料是至關重要的”

可再生生物質液體燃料的改良，常常是通過在反應中間生成醇類，而移除氧原子后，這個酸催化的過程即是醇類的脫水。該團隊詳盡地分析了兩種模式的脫水路徑，這有助于利用微妙地調整，減少生物燃料產品的能量損耗。

他們的努力展示了如何收集有用的信息，參與此次研究的Donald Camaioni博士說：“研究者需要結合自己的經驗和理論去建立一套模式，無論實驗看起來有多簡單都能充分描述整個反應的模式。當我們完成理性催化劑及其反應過程的設計，這個實驗就取得了成功，這是個應當以知識為基礎而不是完全依靠經驗的過程。”

基于對這兩條反應路徑分子級的理解，可將其稱為“單體路徑”和“二聚合路徑”，他們使用嚴格的動力學原理，熱量測試和光譜技術，結合了復雜計算和測試結果，最后他們演示了分子在這兩條路徑上的移動，結合，形成和釋放，并算出該過程所耗費的能量。

他們用兩個關鍵技術完成實驗，紅外光譜技術通過利用分子吸收紅外光來提供信息；用熱重差示掃描儀測定分子中的熱量，并發現了能使溫度提高的物理化學性能。他們還類比文學先例，采用了相當廣泛數量的條件來設計實驗，包括高壓等條件，并使用無結構干擾因素的清潔樣本。

最后他們確定了相關的詳細信息，例如在該反應條件下的重要表面中間體的能量學。對單體路徑來說，一個丙醇分子進入催化劑的活性部位，與之結合并得到一個質子后，水被分解，構成了一種中間體。這導致了一個不對稱分子得到一條通往催化劑的質子橋。這個催化劑的活性部位在中間體解體后將不起作用，形成丙烯。

對于二聚合路徑，兩個丙醇分子進入活性部位，繼而使二聚物帶電，該二聚物非常穩固且其能量必須分開以便形成一個質子回到催化劑并釋放出水和丙醇的中間體，該中間體與單體路徑生成的中間體所不同，其所需能量也不同。

在這次實驗，水存在于氣相中。下次實驗，他們將面對的是液態水而不是蒸汽。這個實驗是研究進程中的一部分，由美國能源部的科學辦公室投資研究，研究目標是設計更快，更便宜，更高效的方法制成生物燃料。

原文鏈接：Watery roadblock in the pathway to biofuels.

文獻鏈接：Dehydration Pathways of 1-Propanol on HZSM-5 in the Presence and Absence of Water.

本文由編輯部王宇提供素材，李妹編譯，點我加入材料人編輯部。