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催化剂研究进展或将建造通往清洁能源的高速公路

时间:2016-09-19 14:52来源:科学网   作者:未知 阅读:

在她1794年的书籍《一篇关于燃烧的文章》中,苏格兰化学家Elizabeth Fulhame注意到了一个奇怪的现象:煤炭和木炭等物质潮湿时会燃烧地更好。经过很多实验了解其背后的原因之后,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,Fulhame写道,这一过程“形成了相当于已分解的新水量”。

很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。如果没有催化剂,现代化学的发展将难以想象。“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。”,美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家Susannah Scott说,“它们非常强大。”

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研究工作。全球数以千万计的化学家仍在继续改善已有的催化剂,并设法发明新的催化剂。

这些工作在一部分上是受到可持续发展兴趣的驱动。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、减少浪费、减少能源使用以及用更少的资源做更多的事情。对着对气候变化和环境保护的日益关注,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:阻止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、石油或天然气等更加惰性以及难以利用,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赶得上,密歇根大学化学家、带领美国能源部研究新催化剂表现标准的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和产品B之间用推土机推出一条捷径,以此绕过复杂且费时的化学通路。利用一种真正好的催化剂就像建造一条多车道高速公路。其中一些最好的是“均相”催化剂:自由漂浮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”围绕着,它们经常是基于碳的、控制反应物接近金属离子的相连团簇。这一领域的很多研究需要调节这些配体使其适宜生产一种只进行所需化学反应的催化剂。

然而不幸的是,到目前为止很多成功案例需要利用稀缺且昂贵的金属,如钯、铂、钌、铱。今天,化学家正在努力建造价格更低廉、地球上更加丰富的元素如铁、镍或铜,或是完全不使用金属。

镍在模仿钯和铂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直接位于这两个元素的上方,因此具有类似的特性。例如,在瑞士洛桑联邦理工学院,合成化学家Xile Hu及其团队正在利用一种通用镍化合物做研究,他们在2008年首次报告了该化合物研究成果。它由一个镍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铂催化剂。但是镍离子的半径比铂粒子半径几乎小20%,因此Hu必须缩小配体使其更加紧密地与镍粒子结合。为此,他在配体中用更小的氮原子替换了磷原子。

该研究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镍离子的稳定。最初的镍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,但很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,其配体会开始分解。“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使用“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——的一大原因。一个经典的例子是催化转换器中能够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,因为很难制作和研究固体物质中催化作用出现的积极位点。在多数情况下,他们需要通过实验和试错优化催化剂。但是Scott表示,“人们对物质的合成控制能力”正在改变。尤其是纳米技术的迅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研究所催化剂国家重点实验室,该研究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一种催化剂。他将纳米颗粒黏贴到一种叫作钒酸铋的半导体晶体上,其中每一种粒子都在每个晶体上被仔细地隔开。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。

氧气会从氧化钴的一端冒出来,而带正电荷的氢离子则会移动到铂粒子的一端。“我们将活性位隔开,以此阻止逆反应。”Li说,否则那样就会让氢气和氧气在水中发生危险的爆炸性转化。Li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

当制作较大的复杂分子如类固醇、抗生素或荷尔蒙时,一个棘手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。一各复杂的分子可能含有很多很自的碳原子,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重的反应。

其中一个众所周知的粒子是镇静剂萨力多胺,这种在20世纪50年代研发的药物目的是治疗怀孕女性早晨的不良反应。其中一个手性配置是有效且安全的。但是其镜像图像却存在于非处方药物中,导致婴儿出生后会存在严重四肢畸形。

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。”加州大学伯克利分校化学家John Hartwig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状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,从而使其比需要有毒溶剂和大量热能的反应过程更加环境友好。

然而,自然界存在的生物酶并不能一直催化化学家所希望的反应,这正是催化剂研究的一个研究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原因。不过,生物酶对于其目标非常具体,尽管它们能利用单一的手性配置生成一种产物,但它经常是不希望得到的配置。“如果你感兴趣的是相对的手性配置,那么就麻烦了。”伦敦大学玛丽女王学院合成化学家 Stellios Arseniyadis说。

当前,化学家仍在扩大催化剂研究的边界。例如,Li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,一个国际研究团队报告称,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研究领域,例如将化学合成与DNA相结合。对此,Arseniyadis表示,它形成了“意外发现珍宝的空间”。


(责任编辑:泉水)
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