作为绿色化学的最新跃进，日本的科学家们揭示了一种新催化剂，该催化剂能够在接近室温下使用分子氧实现高产率的磺酮。通过微调钙钛矿氧化物催化剂中氧空位的结构，研究人员成功将反应温度从80-150摄氏度降低到近30摄氏度，提高了能效。这项研究标志着推进复杂硫化物氧化反应的重要里程碑，提供出色效率的可持续性。
磺酮是一类含硫化合物，化学上源于对硫化物的选择性氧化。尽管这些化合物是制药、溶剂和聚合物工业的核心，但其化学合成常常受到高反应温度和极端反应条件的阻碍。此外，生产这些化合物还需要昂贵的添加剂和苛刻的溶剂。在这种背景下，日本的一组研究人员提出了一种新催化剂设计，能够克服传统合成的局限性，为磺酮提供更高的选择性和更好的产量。
研究团队由日本东京科学研究所的角田圭吾教授领导，他们利用先进的催化剂合成技术，探索元素组成和晶体结构的变化如何贡献于低温下硫化物氧化的催化性能。他们的研究成果于2025年4月3日在线发表在《先进功能材料》上。
“使用分子氧作为氧化剂的硫化物氧化是有机化学中最具挑战性的反应之一，近年来开发新型固体催化剂来促进这类反应已引起了相当大的关注，”角田表示。
针对这一需求，研究人员聚焦于广泛用于催化的钙钛矿氧化物。为了增强基于锶（Sr）、锰（Mn）和氧（O）的六方钙钛矿中一种特定金属-氧物种（面共享氧）的反应性，他们引入了部分锰原子的钌（Ru）原子。这一微妙的修改在晶体内部产生了氧空位，显著提高了催化剂转移氧原子的能力，这一过程在硫化物氧化中至关重要。
最终得到了一个叫做SrMn1-xRuxO3的高效催化剂，能够在低至30摄氏度的反应温度下以前所未有的99%选择性将硫化物转化为磺酮。这与传统系统相比，通常需要80-150摄氏度才能实现相同的反应，发生了显著的转变。
传统反应系统依赖大量贵金属来实现选择性。虽然研究人员确实使用了钌，但他们在仅1%的钌掺杂下实现了更高的选择性，这大大减少了贵金属的使用。通过机理研究，研究人员进一步揭示了这一显著催化性能背后的机制。
“催化遵循Mars-van Krevelen机理，其中晶体表面的氧原子转移到硫化物上，留下氧空位。这些空位随后由大气中的分子氧填充，循环继续进行，”角田解释道。
开发的催化剂还有另一个显著的优势是耐用性。团队确认该催化剂可重复使用至少五次，而性能几乎没有显著下降。此外，该系统适用于广泛的硫化物底物，包括芳香族和脂肪族，使其在工业中具备很高的多功能性。
虽然目前的研究仅关注于硫化物氧化，但这项工作的意义可以扩展到广泛的氧化反应，变革环境清理和能量转换。团队希望他们的发现能激发新催化剂的设计，提供更大的可持续性和成本效率。这项研究还强调了多元素在创造可持续材料中的协同效应，为更环保和更智能的工业化学铺平道路。
