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    2019催化劑研究進展或將建造通往清潔能源的高速公路

    發布時間:2019-09-06 16:43

    在她1794年的書籍《一篇關于燃燒的文章》中,蘇格蘭化學家Elizabeth Fulhame注意到了一個奇怪的現象:煤炭和木炭等物質潮濕時會燃燒地更好。經過很多實驗了解其背后的原因之后,她總結稱水會分解成氫和氧,它們可以與其他化合物產生相互作用從而使燃燒更加猛烈。在文末,Fulhame寫道,這一過程“形成了相當于已分解的新水量”。

    很多歷史學家認為這是關于催化劑的首個科學敘述:一種不會被消耗掉的、通過形成或打破化學鍵而加速化學反應的物質。如果沒有催化劑,現代化學的發展將難以想象?!八鼈儾恢蛔尰瘜W反應變得可行,而且還以新方式引導其發生?!?,美國加州大學圣塔芭芭拉分?;瘜W家Susannah Scott說,“它們非常強大?!?/span>

    催化劑被用于化學行業約90%的生產過程中,并且是制造燃料、塑料、藥品和化肥的基本物質。至少有15項諾貝爾獎被授予催化劑方面的研究工作。全球數以千萬計的化學家仍在繼續改善已有的催化劑,并設法發明新的催化劑。

    這些工作在一部分上是受到可持續發展興趣的驅動。催化劑的作用是沿著精確設定的通道引導化學反應,從而讓化學家可以跳過反應步驟、減少浪費、減少能源使用以及用更少的資源做更多的事情。對著對氣候變化和環境保護的日益關注,可持續性已經變得越來越重要。催化劑是“綠色化學”的一個重要源泉:阻止污染發生的一項全行業的工作。

    催化劑還被認為是解鎖比煤炭、石油或天然氣等更加惰性以及難以利用,但卻比其更加清潔的能源資源的關鍵。相關領域的創新步伐之大,讓一些專家甚至也難以追趕得上,密歇根大學化學家、帶領美國能源部研究新催化劑表現標準的Melanie Sanford說?!拔覀冃枰_定,我們在朝著最經濟有效的方向推進科學?!?/span>

    1、降低價格

    利用催化劑就像在反應物A和產品B之間用推土機推出一條捷徑,以此繞過復雜且費時的化學通路。利用一種真正好的催化劑就像建造一條多車道高速公路。其中一些最好的是“均相”催化劑:自由漂浮分子與混合物融合在一起。

    這一類的工業催化劑通常含有一種起連接或打破化學鍵作用的金屬離子,并由“配體”圍繞著,它們經常是基于碳的、控制反應物接近金屬離子的相連團簇。這一領域的很多研究需要調節這些配體使其適宜生產一種只進行所需化學反應的催化劑。

    然而不幸的是,到目前為止很多成功案例需要利用稀缺且昂貴的金屬,如鈀、鉑、釕、銥。今天,化學家正在努力建造價格更低廉、地球上更加豐富的元素如鐵、鎳或銅,或是完全不使用金屬。

    鎳在模仿鈀和鉑的化學性質方面具有特變的吸引力,因為它在元素周期表中直接位于這兩個元素的上方,因此具有類似的特性。例如,在瑞士洛桑聯邦理工學院,合成化學家Xile Hu及其團隊正在利用一種通用鎳化合物做研究,他們在2019年首次報告了該化合物研究成果。它由一個鎳離子以及圍繞其的單一大配體構成,該配體在三個位點與其連接,而在第四個位點可供進行催化反應。一種類似的配體已經被用于特定的鉑催化劑。但是鎳離子的半徑比鉑粒子半徑幾乎小20%,因此Hu必須縮小配體使其更加緊密地與鎳粒子結合。為此,他在配體中用更小的氮原子替換了磷原子。

    該研究生成了一種剛性配體,當其進行一系列廣泛的化學反應時能夠保持鎳離子的穩定。最初的鎳催化劑已經可在商業上獲得,Hu正在系統地修飾這種配體,以形成一大類的催化劑。

    2、溪流中的亂石

    盡管其用途廣泛,但很多均相催化劑都較為脆弱。它們的內部化學鍵在經過長時間加熱或是與反應分子相撞后會變弱,其配體會開始分解?!八鼈儠谝欢螘r間后死亡?!?Sanford說。

    這正是大規模產業更傾向于使用“多相”催化劑——當反應物流經過時固定在一個地方的固體材料——的一大原因。一個經典的例子是催化轉換器中能夠清除汽車尾氣的鉑金粉末和其他金屬混合物。過去,化學家在利用原子精度設計多相催化劑時有很大困難,因為很難制作和研究固體物質中催化作用出現的積極位點。在多數情況下,他們需要通過實驗和試錯優化催化劑。但是Scott表示,“人們對物質的合成控制能力”正在改變。尤其是納米技術的迅速發展正在讓化學家朝著固體催化劑的穩健性以及均相催化劑的高表現力方向發力。

    在中國中科院大連化學物理研究所催化劑國家重點實驗室,該研究室主任李燦曾利用鉑和氧化鈷納米顆粒創建利用日光分解水的一種催化劑。他將納米顆粒黏貼到一種叫作釩酸鉍的半導體晶體上,其中每一種粒子都在每個晶體上被仔細地隔開。然后,他將晶體浸入水中,并將其暴露在日光下,光子會擊打半導體和松散的電子。其結果是形成納米粒子用來將水分解稱氫和氧的電流。

    氧氣會從氧化鈷的一端冒出來,而帶正電荷的氫離子則會移動到鉑粒子的一端?!拔覀儗⒒钚晕桓糸_,以此阻止逆反應?!盠i說,否則那樣就會讓氫氣和氧氣在水中發生危險的爆炸性轉化。Li表示,這一過程在經濟可行性方面仍不夠有效,他的團隊正在檢測將半導體和金屬催化物結合細化這一設計。

    3、平衡手性

    當制作較大的復雜分子如類固醇、抗生素或荷爾蒙時,一個棘手的挑戰涉及偏光力或是一個碳原子的“手性”。比如,一個攜帶4個不同基團的原子能夠擁有兩個相互映射圖像的立體矩陣,就像人的一雙手那樣。一各復雜的分子可能含有很多很自的碳原子,而即便是其中有一個存在錯誤配置,復合物最終也會與人體發生嚴重的反應。

    其中一個眾所周知的粒子是鎮靜劑薩力多胺,這種在20世紀50年代研發的藥物目的是治療懷孕女性早晨的不良反應。其中一個手性配置是有效且安全的。但是其鏡像圖像卻存在于非處方藥物中,導致嬰兒出生后會存在嚴重四肢畸形。

    來自生物量原料分子的一個鏈條中包含廣泛的手性碳原子,而且它們幾乎不能區分開來?!靶》肿哟呋瘎┍孀R不出它?!奔又荽髮W伯克利分?;瘜W家John Hartwig說。取而代之的是,化學家正在轉向生物酶,它們足夠大,能夠識別目標分子的整體形狀以及可能出現反應的化學鍵位點。生物酶具有的一個優勢是能夠用水作為溶解媒并在人體溫度下發生作用,從而使其比需要有毒溶劑和大量熱能的反應過程更加環境友好。

    然而,自然界存在的生物酶并不能一直催化化學家所希望的反應,這正是催化劑研究的一個研究正在重新編碼這些蛋白質使其可以按化學家設想的方式發揮作用的原因。不過,生物酶對于其目標非常具體,盡管它們能利用單一的手性配置生成一種產物,但它經常是不希望得到的配置?!叭绻愀信d趣的是相對的手性配置,那么就麻煩了?!眰惗卮髮W瑪麗女王學院合成化學家 Stellios Arseniyadis說。

    當前,化學家仍在擴大催化劑研究的邊界。例如,Li正在嘗試將生物酶插入納米顆粒中使其持續時間更長。其他人則在利用合成生物技術合成完全意義上的人工酶。而今年年初,一個國際研究團隊報告稱,利用電磁場催化環形碳化合物的形成。這些想法正在構成傳統科學相互交叉的新研究領域,例如將化學合成與DNA相結合。對此,Arseniyadis表示,它形成了“意外發現珍寶的空間”。

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