多相催化(設(shè)計和應(yīng)用的思考)

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1、多相催化的思考催化劑設(shè)計的最終目的就是在催化劑上引入活性位促使一個化學(xué)反應(yīng)生成我們想要的產(chǎn)品。理論上，催化劑的合成可以通過計算化學(xué)來進(jìn)行計算機(jī)模擬，之后再進(jìn)行合成。而且反應(yīng)機(jī)理可以用微觀動力學(xué)研究、化學(xué)標(biāo)記實(shí)驗(yàn)、和原位波譜來對其進(jìn)行分析。然而，在非均相催化反應(yīng)中，經(jīng)常都是在不確定的氣固相和固液相界面中反應(yīng)。非均相催化反應(yīng)需要將相界面的動力學(xué)考慮進(jìn)去，真正的活性位只在實(shí)際反應(yīng)條件下才能反映出來，這使得非均相催化反應(yīng)變得復(fù)雜。因此，這些給固體催化劑活性位的模擬增加了難度，要研究一個反應(yīng)，需要在一個復(fù)雜的系

2、統(tǒng)中獲得一個詳細(xì)的動力學(xué)模型。在分子水平上基于基礎(chǔ)的知識來預(yù)先設(shè)計固體催化劑，并且要有經(jīng)濟(jì)意義，這是相當(dāng)困難的，這需要研究人員擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。事實(shí)上，可以說多相催化需要有先進(jìn)的知識積累、反復(fù)試驗(yàn)，和明智的結(jié)果解釋。盡管高通量和組合方法可以很好地應(yīng)用在催化劑的優(yōu)化上，人們也認(rèn)識到，在分子水平上的基本知識的是新的概念的發(fā)展和用于通過設(shè)計達(dá)到固體催化劑的最終目標(biāo)的關(guān)鍵。事實(shí)上，固體催化的研究，是跨學(xué)科的，既有來自于納米材料的制備，也有計算化學(xué)的參與，以及實(shí)際催化劑和反應(yīng)條件的原位波譜表征。所有的技術(shù)、微觀動

3、力學(xué)和催化過程機(jī)理的理解，都會讓我們獲得氣固、液固相界面間分子間相互作用的必要知識，這些都是我們設(shè)計和合成高效固體催化劑必不可少的。固體催化劑，是比較結(jié)實(shí)的，幾乎可以應(yīng)用在所有的一系列實(shí)驗(yàn)條件中，然而，要想生成確定的、單一的和均勻分布的活性中心是相當(dāng)困難的。有三點(diǎn)，第一是設(shè)計和合成的分子篩的活性設(shè)置在預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)上。第二是要有有限的靈活性為過渡態(tài)能量和爛的優(yōu)化所需的分子適應(yīng)性的框架。第三是在沸石上有手性中心，沸石材料的手性能轉(zhuǎn)移到多數(shù)分子的手性。實(shí)現(xiàn)了上面的三點(diǎn)，會將固體催化劑推向另外一個深度。可以試圖

4、通過合成有機(jī)?無機(jī)混合結(jié)構(gòu)的固體催化劑，使在一種或所有的組成上包含活性位點(diǎn)來增加固體催化劑的靈活性。固體催化劑有混合分子篩、周期性介孔材料(PMOs)、金屬有機(jī)骨架催化劑(MOFs)和有機(jī)?無機(jī)混合催化劑，他們都是由有機(jī)化合物設(shè)計成的多功能固體催化劑?？梢栽O(shè)想讓多種活性位的混合固體催化劑與酶結(jié)合，分子催化劑，金屬和金屬氧化物納米粒子和酸堿中心可能能夠催化多步的反應(yīng)，比如催化一步反應(yīng)或者是多步的串級反應(yīng)。盡管固體催化劑和納米材料領(lǐng)域相關(guān)，但是主要還是和現(xiàn)在的材料科學(xué)的發(fā)展有關(guān)，比如改善金屬、金屬氧化物催

5、化劑、合成材料的形狀和大小來增大表面積或多金屬催化劑。在一些情況下，例如將金的尺寸減小到1-2nm的時候會表現(xiàn)出非常重要的催化活性。通過改變納米粒子的形狀、尺寸和組成可以用銅、鐵、鉆等非貴金屬制備催化劑。但是我們作為一個科學(xué)家、一個研究人員的責(zé)任不應(yīng)僅僅是增長知識和動手能力，而是應(yīng)該用我們的知識去改善人類的生活水平。因此，我們必須意識到這個社會的趨勢，預(yù)測未來將要遇到的問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)增長。在我們現(xiàn)在的社會中，人口的增長、健康問題、氣候的變化、資源的貧乏和日益增長的物質(zhì)需求等種種問題等著我們?nèi)ソ鉀Q。當(dāng)

6、然，化學(xué)和催化化學(xué)也可以在健康、可持續(xù)發(fā)展和能源，以及食物和水的清潔生產(chǎn)等方面發(fā)揮重要的角色。對于未來的可持續(xù)發(fā)展還存在著很大的挑戰(zhàn)，對分子在氣固相界面間的相互作用的基本了解和設(shè)計所需的固體催化劑的知識是必須具備的。