今天我們來聊一個(gè)熟悉的化學(xué)名詞——催化劑。

催化劑，是指在化學(xué)反應(yīng)里能改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率而不改變化學(xué)平衡、且本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都不發(fā)生改變的物質(zhì)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，催化劑發(fā)揮著非常重要的作用。如何提高催化劑的效率，從而推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，是科學(xué)家們一直在探索和研究的重要課題。

目前工業(yè)生產(chǎn)中涉及的催化反應(yīng)，大多屬于多相催化。而多相催化反應(yīng)通常在催化劑表面發(fā)生。為了提高催化劑的效率，科學(xué)家們想到一種方式，就是把這些催化劑“打散”，讓這些分散后的催化劑粒子盡可能多地接觸參與反應(yīng)的物質(zhì)。

所以，科學(xué)家就把一些金屬等催化劑材料分散成納米尺度的微小粒子，稱為納米粒子。

但是，這些納米粒子非常不穩(wěn)定，只要溫度一升高，它們就會(huì)迅速抱成一團(tuán)，不工作了。所以，科學(xué)家們就把它們一個(gè)一個(gè)地放到具有高比表面積的材料上（稱為載體），讓它們老老實(shí)實(shí)地待在自己的“工位”上工作。科學(xué)家把這種形式的催化劑稱作“負(fù)載催化劑”。

圖1負(fù)載納米催化劑結(jié)構(gòu)示意圖（灰色部分是載體，黃色和橙色小球代表金屬原子，共同組成納米粒子，包含幾個(gè)到幾千個(gè)原子不等。黃色小球是沒有接觸載體的金屬原子，叫表面原子，橙色部分是接觸載體的金屬原子，叫界面原子）

最初，科學(xué)家們認(rèn)為載體只起到了給納米粒子提供“工位”的支撐作用，對(duì)催化反應(yīng)貢獻(xiàn)不大。但是，隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)這些金屬納米粒子和載體“工位”之間也常常會(huì)有相互作用。載體“工位”可以改變這些金屬納米粒子的“外貌”和“性格”，從而改變他們催化的工作效率。

再繼續(xù)深入研究，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，有些催化反應(yīng)實(shí)際上就是（或者說主要）在金屬納米粒子和載體“工位”接觸的地方發(fā)生的（圖1中橙色界面原子），它們密切“合作”，共同起到催化的作用。

而那些沒有接觸到載體“工位”的金屬原子（圖1中黃色表面原子），其實(shí)并沒有進(jìn)行催化工作或者工作效率低下，從而降低了整個(gè)“催化劑團(tuán)隊(duì)”的工作效率。

為了讓催化劑更多地接觸到載體，科學(xué)家試圖把這些金屬納米粒子進(jìn)一步分散，讓金屬以單個(gè)原子的形式負(fù)載于載體上，形成“單原子催化劑”（如圖2所示結(jié)構(gòu)）。2011年，中科院大連化物所張濤研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)這種單原子催化劑的實(shí)用化制備，并與清華大學(xué)李雋教授以及美國亞利桑那大學(xué)劉景月教授合作，在國際上首次提出了“單原子催化”的概念。

圖2單原子催化劑示意圖（圖中的橙色圓球就是單個(gè)分散的金屬原子，它們都和載體接觸）

單原子催化是目前催化領(lǐng)域的新前沿。

相比于上面提到的“負(fù)載納米催化劑”，單原子催化劑具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如性質(zhì)均一：納米催化劑中的納米粒子大小不同，因而可能有不同的“性格”，得到不同的“產(chǎn)品”；而單原子中每個(gè)“工位”里“坐著”的都是單個(gè)原子，其“性格”都一樣，很可能得到相同的單一“產(chǎn)品”，獲得高的選擇性。又比如金屬原子利用效率最大化：納米粒子中的黃色表面原子雖然工作效率較低，但仍然能夠做出貢獻(xiàn)。而表層下面藏著的原子則沒有機(jī)會(huì)接觸到反應(yīng)物，可能完全沒有貢獻(xiàn)；但單原子催化劑中則沒有這些藏著的原子，讓所有原子都可以得到有效利用。這些優(yōu)勢(shì)均已在前期研究中得到證實(shí)。

此外，單原子催化劑實(shí)際上也讓金屬原子和載體能最大程度接觸——單原子催化劑中所有原子既是表面原子，同時(shí)也是界面原子，都能跟“工位”接觸，實(shí)現(xiàn)了金屬與載體間的更多“合作”，更“多贏”。

因此在某些金屬-載體界面協(xié)同催化的反應(yīng)中，單原子催化劑具有潛在優(yōu)勢(shì)。

但是，這些應(yīng)用潛力是什么呢？近期，科學(xué)家們對(duì)“以氧氣為氧化劑、高選擇性催化氧化醇制醛”這條具有高原子經(jīng)濟(jì)性的綠色合成路徑進(jìn)行了探索。

此前，清華大學(xué)李亞棟院士與中科院大連化物所包信和院士團(tuán)隊(duì)的合作研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金屬原子和載體接觸的界面是該反應(yīng)的活性中心，即界面原子與載體“工位”密切合作能夠有效提升催化劑性能。單原子催化劑可以把金屬原子和載體的接觸界面最大化，因而有望在該類型反應(yīng)中展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。

基于此，中科院大連化物所喬波濤研究員與張濤院士團(tuán)隊(duì)深入研究了氧化鈰負(fù)載金（Au）、鉑（Pt）單原子催化劑對(duì)苯甲醇選擇氧化反應(yīng)的性能，并與相應(yīng)的納米粒子進(jìn)行了對(duì)比。

在此過程中，氧化鈰是載體，Au（Pt）原子們和納米粒子們就坐在了氧化鈰載體分配的小小“工位”上。研究結(jié)果表明，單原子催化劑與載體的接觸面更多，相當(dāng)于利用了更多“工位”，使它們進(jìn)行催化工作時(shí)有更高的工作效率。而納米粒子則浪費(fèi)了許多空閑的“工位”，因此催化效率低下。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，原子與工位接觸的地方所得產(chǎn)品更加單一，選擇性更高；而不和工位接觸的表面原子（圖3黃色小球）上得不到單一產(chǎn)品，因而選擇性差。

此外，Au 原子和 Pt 原子們還比較適應(yīng)氧化鈰載體提供的“工位”，從而工作起來也比較穩(wěn)定。

圖3 藍(lán)色紫色小球代表氧化鈰載體，米色小球代表單原子或者和載體工位接觸的界面原子，黃色小球代表不和工位接觸的表面原子。米色小球與工位接觸，工作效率高，產(chǎn)物單一，反應(yīng)選擇性好；黃色表面原子不和載體工位接觸，不和載體合作，效率低產(chǎn)品不單一，選擇性差。

當(dāng)然，從詳細(xì)機(jī)理來解釋，那就是 Au 或 Pt 與氧化鈰界面處的晶格氧具有更高的反應(yīng)活性和選擇性。單原子催化劑的界面最大化特性，使得 Au、Pt 最大比例地活化了載體二氧化鈰中的晶格氧參與氧化，是單原子催化劑比普通納米催化劑具有更高選擇性和活性的重要原因。

這項(xiàng)研究為高效醇氧化催化劑的開發(fā)提供了新思路，也為未來其它金屬-載體界面協(xié)同催化的催化劑設(shè)計(jì)提供了啟示。

來源：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所