化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵在于名稱——需要有某種東西使化學(xué)物質(zhì)相互反應(yīng)。這種稱為催化劑的成分以受控方式誘導(dǎo)或加速反應(yīng)，以產(chǎn)生所需的結(jié)果。多個(gè)行業(yè)中使用的催化劑通常由貴金屬組成，其效率不足以彌補(bǔ)其高成本。為了解決將氫添加到制藥生產(chǎn)中重要分子喹啉的化學(xué)反應(yīng)(稱為氫化)的問題，中國(guó)的研究人員開發(fā)了一種高效催化劑，包括協(xié)同納米粒子和銥單原子。

他們于3月22日在NanoResearch上發(fā)表了他們的方法。

“喹啉及其衍生物選擇性加氫制得相應(yīng)產(chǎn)物在精細(xì)化工和醫(yī)藥行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，”共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究員曹長(zhǎng)艷說?？茖W(xué)學(xué)院(UCAS)。“喹啉是獲取四氫喹啉產(chǎn)物的一類重要化合物，廣泛存在于藥物分子中，但產(chǎn)生該反應(yīng)通常需要貴金屬催化劑。因此，提高貴金屬的活性和利用效率非常重要因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)格很高。”

研究人員專注于單原子催化劑，曹說，由于單原子催化劑如何融合均相和多相催化劑的優(yōu)點(diǎn)，單原子催化劑已成為催化領(lǐng)域的熱門話題。均相催化劑促進(jìn)均勻反應(yīng)，但非均相催化劑可以誘導(dǎo)更高產(chǎn)率的反應(yīng)。曹認(rèn)為，問題在于單原子催化劑缺乏金屬-金屬鍵。如果沒有這種鍵合并，氫會(huì)被迫通過不同的途徑，從而導(dǎo)致整體氫化減少。

“由于氫在貴金屬納米粒子上更容易成對(duì)解離——例如氫原子——眾所周知，氫原子會(huì)溢出，我們假設(shè)金屬納米粒子上形成的氫原子也可以遷移到金屬單點(diǎn)進(jìn)行氫化，”曹說，解釋說，所提出的催化劑和底物之間的初始加氫活性將基本上產(chǎn)生能夠繼續(xù)催化過程的氫原子的第二相。“通過這樣的設(shè)計(jì)，或許可以解決上述問題。”

為了設(shè)計(jì)這種催化劑，研究人員將銥(一種據(jù)報(bào)道對(duì)喹啉氫化具有最高固有活性的貴金屬)和納米顆粒分散在碳載體中。當(dāng)使用喹啉時(shí)，該反應(yīng)被證明比僅使用銥原子或僅使用納米粒子時(shí)更有效。

“構(gòu)建協(xié)同催化劑改變了反應(yīng)路徑，以利用單原子位點(diǎn)激活底物和納米顆粒分解氫，”共同通訊作者、ICCAS和UCAS教授WeiguoSong說。“與單獨(dú)的對(duì)應(yīng)單原子催化劑和納米顆粒催化劑相比，所有這些特性共同促成了顯著增強(qiáng)的氫化性能。”

雖然開發(fā)的協(xié)同催化劑并沒有消除對(duì)貴金屬的需求，但它確實(shí)減少了更好反應(yīng)所需的量。

“我們提出并確認(rèn)了一種有效的策略，通過構(gòu)建銥單原子和納米粒子的協(xié)同催化劑，提高喹啉加氫的催化活性，解決了單原子催化劑的活性限制，”宋說。“接下來(lái)，我們將把研究擴(kuò)展到其他金屬催化劑和加氫反應(yīng)，以證明協(xié)同催化劑的普遍性。”