消除水分子的阻碍 遇见更好的生物燃料

图注：【该团队排除了两个普通的关于水在沸石催化剂中所起作用的推测。他们证实了水并不能影响酸性（或改变酸强），同时水对生物的活性亦毫无影响。】

材料牛注：水是生命之源，燃料是动力之源，当水与火相遇，在水花与火种激战时，看科学家们如何玩转氧原子，火中脱水。

摘要：众所周知，移除氧原子是将生物材料转化为燃料最为重要的一步。科学家们发现水可以生成一种高稳定性的中间体，干扰两个氧原子的移动路径，并将在反应进程中持续损耗能量。

在从农业废弃物和其他生物质中产生燃料的过程里，水弱化了固体酸催化剂的催化能力，导致时间和能量的耗费。但科学家们还不知道这个不利的反应究竟如何发生，让我们一起跟着西北太平洋国家实验室的团队和德国大学的陆军少校揭开谜底吧。

基于移除氧原子在生物燃料生产中极为重要，该团队主要研究水利用沸石催化剂干扰两个氧原子移动路径的原理。他们明确地演示了水促进生成高稳定性中间体的过程，并发现这个过程就像推着大圆石上山坡，其中耗费的能量往往更多。

一个钻研了PNNL三年并参与此次联合研究的Hui Shi博士说：“水在生物质原料中大量存在，了解水在其中的影响对设计和合成抗水化催化剂材料是至关重要的”

可再生生物质液体燃料的改良，常常是通过在反应中间生成醇类，而移除氧原子后，这个酸催化的过程即是醇类的脱水。该团队详尽地分析了两种模式的脱水路径，这有助于利用微妙地调整，减少生物燃料产品的能量损耗。

他们的努力展示了如何收集有用的信息，参与此次研究的Donald Camaioni博士说：“研究者需要结合自己的经验和理论去建立一套模式，无论实验看起来有多简单都能充分描述整个反应的模式。当我们完成理性催化剂及其反应过程的设计，这个实验就取得了成功，这是个应当以知识为基础而不是完全依靠经验的过程。”

基于对这两条反应路径分子级的理解，可将其称为“单体路径”和“二聚合路径”，他们使用严格的动力学原理，热量测试和光谱技术，结合了复杂计算和测试结果，最后他们演示了分子在这两条路径上的移动，结合，形成和释放，并算出该过程所耗费的能量。

他们用两个关键技术完成实验，红外光谱技术通过利用分子吸收红外光来提供信息；用热重差示扫描仪测定分子中的热量，并发现了能使温度提高的物理化学性能。他们还类比文学先例，采用了相当广泛数量的条件来设计实验，包括高压等条件，并使用无结构干扰因素的清洁样本。

最后他们确定了相关的详细信息，例如在该反应条件下的重要表面中间体的能量学。对单体路径来说，一个丙醇分子进入催化剂的活性部位，与之结合并得到一个质子后，水被分解，构成了一种中间体。这导致了一个不对称分子得到一条通往催化剂的质子桥。这个催化剂的活性部位在中间体解体后将不起作用，形成丙烯。

对于二聚合路径，两个丙醇分子进入活性部位，继而使二聚物带电，该二聚物非常稳固且其能量必须分开以便形成一个质子回到催化剂并释放出水和丙醇的中间体，该中间体与单体路径生成的中间体所不同，其所需能量也不同。

在这次实验，水存在于气相中。下次实验，他们将面对的是液态水而不是蒸汽。这个实验是研究进程中的一部分，由美国能源部的科学办公室投资研究，研究目标是设计更快，更便宜，更高效的方法制成生物燃料。

原文链接：Watery roadblock in the pathway to biofuels.

文献链接：Dehydration Pathways of 1-Propanol on HZSM-5 in the Presence and Absence of Water.

本文由编辑部王宇提供素材，李妹编译，点我加入材料人编辑部。