多相催化中表面配體與催化劑表面的相互作用——電子效應

撰文：CCL

編輯：CCL

相關基礎理論

在多相催化循環中，吸附、遷移、反應、脫附，每一步都涉及化學鍵的斷裂與形成。而鍵的斷裂、生成與催化劑和反應物質的電子特性息息相關。結合大量實驗現象與理論計算模型，人們已經確證電子結構在多相催化中的核心作用。在具有表面有機配體的納米催化劑中，表面配體會導致納米顆粒表面電子結構的變化，從而影響催化反應活性和選擇性。電子結構變化的程度取決於表面配體與催化劑的相互作用強度。

具體而言，這一相互作用產生於表面有機分子的分立分子軌道和金屬表面離域的電子態之間，可以分為兩個方面：1.電荷轉移，2.極化作用。作用的結果是導致金屬納米顆粒費米能級的移動和表面化學勢的變化，如下圖1所示：

圖 1

相對而言，電荷轉移的強度要遠大於極化作用。電荷轉移來源於金屬原子d軌道與配體能級之間的耦合作用，而耦合強度取決於金屬費米能級與配體HOMO、LUMO的相對位置關係，並可以通過軟硬酸鹼對理論（HSAB）來進行解釋，比如Au-S (soft-soft) > Au-N (soft-borderline) > Au-O (soft-hard)。

更進一步的描述電荷轉移作用則需要考慮金屬電子結構對於表面有機配體電子結構的影響。已經有研究表明，金屬與有機配體之間的相互作用會導致配體HOMO與LUMO之間產生誘導界面電子態（IDIS）。IDIS的對應指標是電中性水平（CNL）,可以簡單的理解成配體的費米能級，那麼對比金屬與有機配體兩者的費米能級就可以判定電子的流動方向：當CNL > Ef時，電子從配體流向金屬；當CNL

有機配體電子效應對催化活性和選擇性的影響：

上文仔細分析了金屬-有機配體界面層的相互作用以及電子流向判斷。那這些因素究竟對催化反應活性和選擇性具體產生哪些影響呢？下面將結合實例從3個方面來分析：

01、誘導新活性物種的產生

在09年的這篇JACs（ref1）中，研究發現PVP修飾後的Au納米顆粒表面產生負價態的Au離子，其與O2結合能夠生成高活性的超氧離子，如下圖2所示。超氧離子在醇類氧化中表現出了高活性。

圖 2

2、改變不同反應物和產物在催化劑表面的吸附能

多相催化反應過程中，吸脫附過程是非常重要的一個環節。有機配體的電子效應有可能改變催化劑表面對不同物質的吸附能力，從而影響催化反應的活性和選擇性。例如在2016年的這篇Nature materials中（ref.2, 如下3圖），文中主要考察Pt納米線催化劑表面電子效應對硝基苯選還原反應活性和選擇性的影響。研究發現Pt納米線催化劑在乙二胺的影響下，其表面變為富電子結構，從而對欠電子的底物，比如：硝基苯，的吸附能力增強，而對富電子苯羥胺的吸附能力減弱，最終實現硝基苯選擇性還原成為苯羥胺。

圖 3

12年Nano letter（ref 3, 下圖4）報道隨著Pt納米顆粒表面胺配體負載量的增加，催化劑表面對不同底物的吸附能力也發生不同程度的變化。文中以4-辛炔的加氫還原作為模型反應。理論計算結果表明當有機配體胺的含量達到一定程度，催化劑對不同底物的吸附能力排序如下：4-辛炔 > 有機配體 > 4-辛烯。正是這一吸附能力的變化，導致目標產物辛烯的產量顯著增加。

圖 4

3、對催化反應過程中活化熵的影響

表面配體對催化反應的影響通常會理解為反應活化能的改變。需要注意的是，表面配體的引入，無論是電子效應還是空間體積效應，可能對催化反應過程的活化熵產生影響，最終改變反應的活性或者選擇性。比如在2010的這篇nature material中（ref 4），作者發現當Pd/Al2O3負載型催化劑表面修飾不同鏈長的烷基硫醇配體後，環氧丁烯（EpB）加氫的選擇性顯著增加，並且鏈長越長，反應活性越高（見下圖5）。文中將鏈長與反應活性的關係歸結為反應過程中的熵障礙。鏈長越短、熵障礙越大。

圖 5

同樣在2014年的這篇ACS Catalysis（ref 5）中，作者發現當Au-PVP/SiO2(其中，Au為納米顆粒，PVP為配體，SiO2為載體)表面配體被祛除後，其對對氯硝基苯(p-CNB)加氫反應的催化活性顯著降低，見下圖6。文中將這一反應活性降低歸結為活化熵的改變。沒有有機配體存在，p-CNB在催化劑表面活動性受限，見下圖6。熵顯著減低，從而降低反應活性。

圖 6

總而言之，對於多相納米催化中表面配體的電子效應，需要注意的有以下幾點：a. 電子效應的來源：有機配體d軌道與金屬表面電子態之間的耦合作用，從而產生電荷轉移或者極化作用。兩者比較而言，電子轉移作用的影響程度遠大於極化作用。b.電子效應究竟如何影響催化反應活性和選擇性？：可以簡單分為三類：1.引導新活性物種的產生；2.改變催化劑表面對不同底物的吸附能力；3.對反應活化熵的影響。當然，電子效應不總是產生正面促進催化的效果，也很有可能產生負面抑制作用。

表面配體對催化反應的影響可以分為電子效應和空間體積效應兩大部分。對於本文中提到的大部分參考文獻，我們後期都會進行深入解讀，敬請期待。

聲明：本文主要內容來自於綜述 「Untangling the Role of the Capping Agent inNanocatalysis: Recent Advances and Perspectives」，Catalysts 2016, 6, 185;

參考文獻：

1.Effect of electronic structures of clusters stabilizedby poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) on aerobic oxidation catalysis. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7086 – 7093.

2.Interfacialelectronic effects control the reaction selectivity of platinum catalysts. Nat. Mater. 2016, 15, 564–569.

3. Capping ligands as selectivity switchers in hydrogenation reactions. Nano Lett. 2012, 12, 5382–5388.

4. Controlledselectivity for palladium catalysts using self - assembled monolayers. Nat. Mater. 2010, 9, 853–858.

5. Impacts of organic stabilizers on catalysis of Au nanoparticlesfrom colloidal preparation. ACS Catal. 2014, 4, 3982–3993.

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