催化剂研究进展或将建造通往清洁能源的高速公路

资料来源:Jasiek Krzysztofiak/自然

苏格兰化学家伊丽莎白·富勒姆在她1794年的著作《燃烧的文章》中注意到一个奇怪的现象:像煤和木炭这样的物质在潮湿时燃烧得更好。经过许多实验来了解其背后的原因后，她得出结论，水会分解成氢和氧，氢和氧会与其他化合物相互作用，使燃烧更加剧烈。在文章的最后，富勒姆写道，这个过程“形成了相当于分解的新水量”。

许多历史学家认为这是对催化剂的第一次科学描述:一种不被消耗的物质，它通过形成或破坏化学键来加速化学反应。没有催化剂，现代化学的发展将是不可想象的。"它们不仅使化学反应可行，而且以新的方式引导它们."“它们非常强大，”加州大学圣巴巴拉分校的化学家苏珊娜·斯科特说。

在化学工业中，大约90%的生产过程都使用催化剂，催化剂是制造燃料、塑料、药品和肥料的基本材料。至少有15项诺贝尔奖被授予对催化剂的研究。全世界数千万化学家继续改进现有催化剂，并试图发明新的催化剂。

这些努力部分是出于对可持续发展的兴趣。催化剂的作用是引导化学反应沿着精确设定的通道进行，从而允许化学家跳过反应步骤，减少浪费，减少能源使用，用更少的资源做更多的事情。随着对气候变化和环境保护的日益关注，可持续性变得越来越重要。催化剂是“绿色化学”的一个重要来源:全行业努力防止污染。

催化剂也被认为是释放比煤、石油或天然气更惰性、更难使用、但比它们更清洁的能源的关键。密歇根大学的化学家梅勒妮·桑福德(Melanie Sanford)说，相关领域的创新步伐让一些专家很难赶上，她领导美国能源部研究新催化剂的性能标准。“我们需要确保在最具成本效益的方向上推进科学。”

降价

使用催化剂就像使用推土机在反应物A和产物B之间开辟一条捷径，绕过复杂而耗时的化学路径。使用真正好的催化剂就像建造一条多车道的高速公路。一些最好的催化剂是“均相”催化剂:*漂浮的分子与混合物融合。

这种类型的工业催化剂通常含有连接或断裂化学键的金属离子，并被“配体”包围，这些“配体”通常是控制反应物接近金属离子的碳基簇。该领域的许多研究需要调整这些配体，使它们适合于生产只进行所需化学反应的催化剂。

不幸的是，到目前为止，许多成功的案例都需要使用稀有而昂贵的金属，如钯、铂、钌和铱。今天，化学家正试图在地球上制造更便宜、更丰富的元素，如铁、镍或铜，或者根本不使用金属。

镍在模仿钯和铂的化学性质方面特别有吸引力，因为它在元素周期表中直接位于这两种元素之上，因此具有相似的性质。例如，在瑞士洛桑联邦理工学院，合成化学家胡锡乐和他的团队正在使用一种常见的镍化合物进行研究，他们在2008年首次报告了研究结果。它由一个镍离子和围绕它的一个大配体组成。配体在三个位点与其相连，在第四个位点可用于催化反应。类似的配体已被用于特定的铂催化剂。然而，镍离子的半径几乎比铂颗粒的半径小20%，所以胡必须减少配体以更紧密地与镍颗粒结合。为此，他用配体中较小的氮原子取代了磷原子。

研究生已经成为一个刚性配体，当它经历一系列广泛的化学反应时，可以保持镍离子的稳定性。最初的镍催化剂已经可以在市场上买到，而胡正在系统地修饰这种配体，以形成一大类催化剂。

溪流中的石头

尽管它被广泛使用，但许多均相催化剂是易碎的。它们的内部化学键在长期加热或与活性分子碰撞后变弱，它们的配体开始分解。"他们会在一段时间后死去。"桑福德说。

这是大规模工业倾向于使用“多相”催化剂的主要原因之一——当反应物流经时，固体材料固定在一个地方。一个典型的例子是铂粉末和其他金属在催化转化器中的混合物，它可以去除汽车尾气。过去，化学家很难设计原子精度的多相催化剂，因为很难制造和研究固体材料中的催化活性中心。在大多数情况下，他们需要通过实验和反复试验来优化催化剂。但是斯科特说，“人们控制物质合成的能力”正在改变。特别是，纳米技术的快速发展正推动化学家们朝着固体催化剂的坚固性和均相催化剂的高表达性发展。

中国科学院大连化学物理研究所催化剂国家重点实验室主任李灿使用铂和钴氧化物纳米粒子制造了一种通过阳光分解水的催化剂。他将纳米粒子粘贴到一种叫做钒酸铋的半导体晶体上，每种纳米粒子都被小心地分离在每种晶体上。然后，他将晶体浸入水中，并将其暴露在阳光中，在那里光子撞击半导体和松散的电子。结果，纳米粒子形成，将水分解成电，称为氢和氧。

氧将从氧化钴的一端出现，而带正电的氢离子将移动到铂粒子的一端。"我们分离活性位点以防止反向反应."李说，否则，氢和氧在水中会发生危险的爆炸转化。李说，就经济可行性而言，该工艺仍不有效，他的团队正在研究将半导体和金属催化剂结合起来进行精炼的设计。

平衡手性

当制造更大的复杂分子如类固醇、抗生素或激素时，一个棘手的挑战涉及到极化或碳原子的“手性”。例如，一个带有四个不同基团的原子可以有两个三维矩阵，它们像人手一样将图像相互映射。一个复杂的分子可能包含许多独立的碳原子，即使其中一个被误解，这个复杂的分子最终也会与人体发生严重的反应。

众所周知的微粒之一是镇静剂沙利度胺，这是一种在20世纪50年代开发的药物，用于治疗孕妇早晨的不良反应。手性构型之一是有效和安全的。然而，它的镜像存在于非处方药中，导致婴儿出生后严重的肢体畸形。

从生物质原料分子衍生出来的一条链含有大量的手性碳原子，它们几乎无法区分。"小分子催化剂不能识别它."加州大学伯克利分校的化学家约翰·哈特威格说。取而代之的是，化学家们转而使用足够大的生物酶来识别目标分子的整体形状和可能发生反应的化学键位置。生物酶的一个优点是它可以用水作为溶解介质，在人体温度下起作用，因此比需要有毒溶剂和大量热能的反应过程更环保。

然而，自然界中存在的生物酶并不总是能催化化学家想要的反应，这就是为什么催化剂研究的一项研究是对这些蛋白质进行重新编码，使它们能够以化学家想象的方式发挥作用。然而，生物酶对它们的目标非常特殊。虽然它们可以使用单一手性构型生产产品，但它们通常是不希望的构型。"如果你对相对手性构型感兴趣，那就有麻烦了."伦敦大学玛丽皇后学院的合成化学家斯泰利奥斯·阿瑟尼亚迪斯说。

目前，化学家仍在拓展催化剂研究的边界。例如，李正试图将生物酶插入纳米粒子中，使其寿命更长。其他人正在使用合成生物技术来合成完全意义上的人工酶。今年早些时候，一个国际研究小组报告说，电磁场被用来催化环状碳化合物的形成。这些想法正在形成传统科学相互交叉的新研究领域，例如将化学合成与DNA结合。作为回应，Arseniyadis表示，它已经形成了“一个偶然发现宝藏的空间”。(晋南)