單原子催化劑研究取得新突破

中國經濟網北京1月5日訊（記者佘惠敏）從中國科學院獲悉：近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱「大連化物所」）在單原子催化研究方面取得新進展，首次發現單原子催化劑具有與均相催化劑相當的活性，從實驗上證明單原子可能成為溝通均相催化與多相催化的橋樑。該研究工作得到審稿人的高度評價，以Hot Paper（top 10%）形式發表於《德國應用化學》上，並被推薦為後封面文章。

按照催化劑與反應物（底物）的物理相態區分，催化可以分為多相催化與均相催化兩個過程：催化劑與反應物處在同一相稱為均相催化；反之則叫多相催化。根據實際催化過程，一般均相催化反應可以理解為可溶性催化劑催化的液相（或氣-液）反應，而多相催化則多指固體催化劑催化的氣相、液相（或氣-液）反應。

均相催化劑大都具有均一、孤立的活性位點和特定的結構。並且，由於均相催化劑與底物混溶，接觸充分、催化劑利用率高，常具有較好的催化效果。特別對於過渡金屬催化的均相反應，由於催化中心多具有配體絡合的「孤立活性位點」，不僅具有高的催化效率，而且具有高度的反應專一性。但是均相催化劑普遍存在催化劑與產物分離的問題，造成產物純化困難。因此目前絕大多數工業催化為多相催化過程。多相催化劑相對穩定，而且與底物處於不同的物相，因此易於分離回收和重複使用。但由於多相催化劑的活性中心多為無數原子團聚組成的微粒，而非均相催化劑一樣以單個或幾個原子作為活性中心，故催化效率相對較低。因此，將均相催化劑進行固載化，能夠結合均相催化劑與多相催化劑的優點，被稱為「均相催化劑多相化」，是當前催化領域非常重要的研究方向。

五年前，大連化物所張濤院士領導的研究團隊在國際上首次報道了單原子催化劑的製備與性能，並在此基礎上提出了「單原子催化」的概念。單原子催化現已成為催化領域新的前沿與熱點之一。由於單原子催化劑兼具均相催化劑的「孤立活性位點」和多相催化劑「穩定易分離」的特點，因而被認為有望開闢均相催化劑多相化的新途徑，成為聯結均相與多相催化的橋樑，但一直未得到證實。

通過氫甲醯化由烯烴和合成氣製備醛類精細化學品，是化工生產中最重要的均相催化過程之一。該類精細化學品年產超千萬噸，具有非常重要的應用背景。近期，該團隊的喬波濤副研究員等成功合成出氧化鋅納米線負載的銠單原子催化劑（Rh1/ZnOnw），可在溫和的反應條件下將苯乙烯轉化為苯丙醛，催化效率與經典的均相催化劑 (Wilkinson』s催化劑, RhCl(PPh3)3)相當。該過程中沒有發生烯烴C=C雙鍵加氫的副反應，故化學選擇性高達99%，此外該體系還具有較好的底物適用性和穩定性。透射電鏡、原位紅外等表徵手段證明Rh在載體上是以單原子的形式分散。

該研究首次從實驗上證明單原子催化劑可能成為溝通均相催化與多相催化的橋樑，為均相催化劑的多相化開闢了新途徑，同時也為單原子催化劑的應用提供了新思路。

上述研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、和國家重點研發計劃「納米科技」重點專項等項目的資助。