在1794年的著作《一篇关于燃烧的文章》中，苏格兰化学家Elizabeth Fulhame注意到一个奇特现象：煤炭和木炭等物质在潮湿时燃烧得更充分。通过大量实验，她总结出水会分解为氢和氧，这些气体与其他化合物相互作用，使燃烧更剧烈。她在文末写道，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次科学描述：一种不被消耗、通过形成或打破化学键加速化学反应的物质。没有催化剂，现代化学难以想象。美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家Susannah Scott说：“它们不仅使化学反应可行，还能以新方式引导反应发生，非常强大。”

催化剂用于化学工业约90%的生产过程，是制造燃料、塑料、药品和化肥的基础。至少15项诺贝尔奖授予了催化剂研究。全球数以万计的化学家仍在改进现有催化剂并发明新催化剂。这些工作部分受可持续发展兴趣驱动。催化剂能沿精确路径引导化学反应，从而跳过步骤、减少浪费、降低能耗、用更少资源做更多事。随着对气候变化和环境保护的关注，可持续性日益重要。催化剂是“绿色化学”的重要源泉，是预防污染的全行业努力。

催化剂也被视为解锁比煤炭、石油或天然气更清洁但更惰性、更难利用的能源资源的关键。创新步伐之快，让一些专家也难以跟上。密歇根大学化学家Melanie Sanford说：“我们需要确定，我们在朝着最经济有效的方向推进科学。”

降低价格

利用催化剂就像在反应物A和产物B之间用推土机推出一条捷径，绕过复杂费时的化学通路。一种真正好的催化剂就像多车道高速公路。其中最好的是“均相”催化剂：自由漂浮分子与混合物融合。这类工业催化剂通常含有起连接或打破化学键作用的金属离子，并由“配体”围绕，配体常基于碳，控制反应物接近金属离子。很多研究需要调节配体，使其只催化所需反应。

然而，许多成功案例依赖稀缺昂贵的金属，如钯、铂、钌、铱。如今，化学家正努力使用更廉价、更丰富的元素，如铁、镍、铜，或完全不使用金属。镍在模仿钯和铂方面特别有吸引力，因为它在元素周期表中位于两者上方，具有类似特性。例如，瑞士洛桑联邦理工学院的Xile Hu团队利用一种通用镍化合物，该化合物由一个镍离子和围绕它的单一配体构成，配体在三个位点连接镍，第四个位点供催化反应。类似配体已用于铂催化剂，但镍离子半径比铂小近20%，因此Hu必须缩小配体以紧密结合镍。他用更小的氮原子替换了磷原子，生成一种刚性配体，能在广泛化学反应中稳定镍离子。最初的镍催化剂已商业化，Hu正在系统修饰配体以形成一大类催化剂。

溪流中的乱石

尽管用途广泛，许多均相催化剂较脆弱。其内部化学键在长时间加热或与反应分子碰撞后会变弱，配体开始分解。Sanford说：“它们会在一段时间后死亡。”这正是大规模产业更倾向于使用“多相”催化剂的原因：固体材料固定在一处，反应物流经。经典例子是催化转换器中清除汽车尾气的铂金粉末和其他金属混合物。过去，化学家在原子精度设计多相催化剂时遇到困难，因为很难制作和研究固体物质中的催化活性位点。多数情况下，他们通过试错优化催化剂。但Scott表示，“人们对物质的合成控制能力”正在改变。纳米技术的迅速发展让化学家朝着固体催化剂的稳健性和均相催化剂的高表现力方向努力。

在中国科学院大连化学物理研究所催化剂国家重点实验室，主任李灿曾利用铂和氧化钴纳米颗粒创建利用日光分解水的催化剂。他将纳米颗粒粘贴到钒酸铋半导体晶体上，每种粒子在晶体上仔细隔开。然后，将晶体浸入水中，暴露在日光下，光子击打半导体并释放电子，形成纳米粒子用于将水分解为氢和氧的电流。氧气从氧化钴一端冒出，带正电荷的氢离子移动到铂粒子一端。李灿说：“我们将活性位隔开，阻止逆反应。”否则氢气和氧气会在水中发生危险的爆炸性转化。该过程在经济可行性上仍不够有效，他的团队正在检测将半导体和金属催化物结合细化的设计。

平衡手性

当制作较大的复杂分子如类固醇、抗生素或荷尔蒙时，一个棘手挑战涉及偏光力或碳原子的“手性”。例如，一个携带4个不同基团的原子可以拥有两个互为镜像的立体构型，就像人的双手。一个复杂分子可能含有许多手性碳原子，即使其中一个配置错误，最终复合物也可能与人体发生严重反应。一个众所周知的例子是镇静剂沙利度胺，20世纪50年代研发用于治疗孕妇晨吐。其中一个手性配置有效且安全，但其镜像存在于非处方药中，导致婴儿出生后严重四肢畸形。

来自生物质原料的分子链包含广泛的手性碳原子，几乎无法区分。加州大学伯克利分校化学家John Hartwig说：“小分子催化剂辨识不出它们。”取而代之，化学家转向生物酶，它们足够大，能识别目标分子的整体形状和可能反应的化学键位点。生物酶的优势是能用水作为溶剂并在人体温度下作用，从而比需要有毒溶剂和大量热能的反应更环保。然而，自然界存在的生物酶并不总能催化化学家希望的反应，因此催化剂研究的一个方向是重新编码这些蛋白质，使其按化学家设想的方式发挥作用。不过，生物酶对其目标非常特异，尽管它们能利用单一手性配置生成产物，但经常是不希望得到的配置。伦敦大学玛丽女王学院合成化学家Stellios Arseniyadis说：“如果你感兴趣的是相对的手性配置，那就麻烦了。”

当前，化学家仍在扩大催化剂研究的边界。例如，李灿正在尝试将生物酶插入纳米颗粒中使其更持久。其他人则利用合成生物技术合成完全人工的酶。今年年初，一个国际研究团队报告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研究领域，例如将化学合成与DNA结合。Arseniyadis表示，它形成了“意外发现珍宝的空间”。