催化剂研究进展或将建造通往清洁能源的高速公路.docx

催化剂探讨进展或将建立通往清洁能源的高速马路在她1794年的书籍一篇关于燃烧的文章中，苏格兰化学家EIizabethFu1.hame留意到了一个惊奇的现象：煤炭和木炭等物质潮湿时会燃烧地更好。经过许多试脸了解其背后的缘由之后，她总结称水会分解成氢和氧，它们可以与其他化合物产生相互作用从而使燃烧更加猛烈。在文末，FU1.han1.e写道，这一过程“形成了相当于已分解的新水量”。许多历史学家认为这是关于催化剂的首个科学叙述：一种不会被消耗掉的、通过形成或打破化学键而加速化学反应的物质。假如没有催化剂，现代化学的发展将不可思议。“它们不只让化学反应变得可行，而且还以新方式引导其发生。”，美国加州高校圣塔芭芭拉分校化学家SusannahScott说，“它们特别强大。”催化剂被用于化学行业约90%的生产过程中，并且是制造燃料、塑料、药品和化肥的基本物质。至少有15项诺贝尔奖被授予催化剂方面的探讨工作。全球数以千万计的化学家仍在接着改善已有的催化剂，并设法独创新的催化剂。这些工作在一部分上是受到可持续发展爱好的驱动。催化剂的作用是沿着精确设定的通道引导化学反应，从而让化学家可以跳过反应步骤、削减奢侈、削减能源运用以及用更少的资源做更多的事情。对着对气候变更和环境爱护的日益关注，可持续性已经变得越来越重要。催化剂是“绿色化学”的一个重要源泉：阻挡污染发生的一项全行业的工作。催化剂还被认为是解锁比煤炭、石油或自然气等更加情性以及难以利用，但却比其更加清洁的能源资源的关键。相关领域的创新步伐之大，让一些专家甚至也难以追逐得上，密歇根高校化学家、带领美国能源部探讨新催化剂表现标准的Me1.anieSanfOrd说。“我们须要确定，我们在朝着最经济有效的方向推动科学。”降低价格利用催化剂就像在反应物A和产品B之间用推土机推出一条捷径，以此绕过困难且费时的化学通路。利用一种真正好的催化剂就像建立一条多车道高速马路。其中一些最好的是“均相”催化剂：自由漂移分子与混合物融合在一起。这一类的工业催化剂通常含有一种起连接或打破化学键作用的金属离子，并由“配体”围围着，它们常常是基于碳的、限制反应物接近金属离子的相连团簇。这一领域的许多探讨须要调整这些配体使其相宜生产一种只进行所需化学反应的催化剂。然而不幸的是，到目前为止许多胜利案例须要利用稀缺且昂贵的金属，如记、柏、钉、铳。今日，化学家正在努力建立价格更低廉、地球上更加丰富的元素如铁、镶或铜，或是完全不运用金属。镁在仿照铝和粕的化学性质方面具有特变的吸引力，因为它在元素周期表中干脆位于这两个元素的上方，因此具有类似的特性。例如，在璃士洛桑联邦理工学院，合成化学家Xi1.eHu及其团队正在利用一种通用镁化合物做探讨，他们在2019年首次报告了该化合物探讨成果。它由一个锲离子以及围绕其的单一大配体构成，该配体在三个位点与其连接，而在第四个位点可供进行催化反应。一种类似的配体已经被用于特定的铀催化剂。但是镇离子的半径比销粒子半径几乎小20%,因此HU必需缩小配体使其更加紧密地与锲粒子结合。为此，他在配体中用更小的氮原子替换了磷原子。该探讨生成了一种刚性配体，当其进行一系列广泛的化学反应时能够保持银离子的稳定。最初的锲催化剂已经可在商业上获得，HU正在系统地修饰这种配体，以形成一大类的催化剂。溪流中的乱石尽管其用途广泛，但许多均相催化剂都较为脆弱。它们的内部化学键在经过长时间加热或是与反应分子相撞后会变弱，其配体会起先分解。“它们会在一段时间后死亡。"Sanford说。这正是大规模产业更倾向于运用“多相”催化剂当反应物流经过时固定在一个地方的固体材料的一大缘由。一个经典的例子是催化转换器中能够清除汽车尾气的铀金粉末和其他金属混合物。过去，化学家在利用原子精度设计多相催化剂时有很大困难，因为很难制作和探讨固体物质中催化作用出现的主动位点。在多数状况下，他们须要通过试验和试错优化催化剂。但是SCOtt表示，“人们对物质的合成限制实力”正在变更。尤其是纳米技术的快速发展正在让化学家朝着固体催化剂的稳健性以及均相催化剂的高表现力方向发力。在中国中科院大连化学物理探讨所催化剂国家重点试睑室，该探讨室主任李灿曾利用钠和氧化铝纳米颗粒创建利用日光分解水的一种催化剂。他将纳米颗粒黏贴到一种叫作锐酸钮的半导体晶体上，其中每一种粒子都在每个晶体上被细致地隔开。然后，他将晶体浸入水中，并将其暴露在日光下，光子会击打半导体和松散的电子。其结果是形成纳米粒子用来将水分解称氢和氧的电流。氧气会从氧化铝的一端冒出来，而带正电荷的氢离子则会移动到铀粒子的一端。“我们将活性位隔开，以此阻挡逆反应。"1.i说，否则那样就会让氧气和氧气在水中发生危急的爆炸性转化。1.i表示，这一过程在经济可行性方面仍不够有效，他的团队正在检测将半导体和金属催化物结合细化这一设计。平衡手性当制作较大的困难分子如类固醇、抗生素或荷尔蒙时，一个麻烦的挑战涉及偏光力或是一个碳原子的“手性”。比如，一个携带4个不同基团的原子能够拥有两个相互映射图像的立体矩阵，就像人的一双手那样。一各困难的分子可能含有许多很自的碳原子，而即便是其中有一个存在错误配置，复合物最终也会与人体发生严峻的反应。其中一个众所周知的粒子是冷静剂萨力多胺，这种在20世纪50年头研发的药物目的是治疗怀孕女性早晨的不良反应。其中一个手性配矍是有效且平安的。但是其镜像图像却存在于非处方药物中，导致婴儿诞生后会存在严峻四肢畸形。来自生物量原料分子的一个链条中包含广泛的手性碳原子，而且它们几乎不能区分开来。“小分子催化剂辨识不出它。”加州高校伯克利分校化学家JOhnHartWig说。取而代之的是，化学家正在转向生物酶，它们足够大，能够识别目标分子的整体形态以及可能出现反应的化学键位点。生物酶具有的一个优势是能够用水作为溶解媒并在人体温度下发生作用，从而使其比须要有毒溶剂和大量热能的反应过程更加环境友好。然而，自然界存在的生物晦并不能始终催化化学家所希望的反应，这正是催化剂探讨的一个探讨正在重新编码这些蛋白质使其可以按化学家设想的方式发挥作用的缘由。不过，生物酶对于其目标特别详细，尽管它们能利用单一的手性配置生成一种产物，但它常常是不希望得到的配置。“假如你感爱好的是相对的手性配置，那么就麻烦了。”伦敦高校玛丽女王学院合成化学家Ste1.IiosArSeniyadiS说。当前，化学家仍在扩大催化剂探讨的边界。例如，1.i正在尝试将生物酶插入纳米颗粒中使其持续时间更长。其他人则在利用合成生物技术合成完全意义上的人工酶。而今年年初，一个国际探讨团队报告称，利用电磁场催化环形碳化合物的形成。这些想法正在构成传统科学相互交叉的新探讨领域，例如将化学合成与DNA相结合。对此，ArSeniyadiS表示，它形成了“意外发觉珍宝的空间”。