蝴蝶翅膀激发催化剂设计的突破

诸平

Fig. 1 New research inspired by the intricate structure of butterfly wings has led to a method for fine-tuning catalytic reactions, enhancing selectivity and efficiency in chemical production. This breakthrough underscores the potential for bioinspired designs to drive industrial innovation. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 Smaller average interparticle distance. Gold, silver, white, and red spheres represent gold, palladium, Silicon, and oxygen atoms, respectively. Credit: Harvard SEAS, edited

据美国哈佛大学（Harvard University）2024年2月16日提供的消息，哈佛大学约翰·保尔森（John A. Paulson）工程与应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences简称SEAS, Cambridge, MA, USA)、哈佛大学化学化学生物学系（Harvard Department of Chemistry & Chemical Biology, Cambridge, MA, USA）以及荷兰乌得勒支大学（Utrecht University, Utrecht, the Netherlands）的研究人员合作，报道了一种以前难以捉摸的方法来提高催化反应的选择性，增加了一种新的方法来提高催化剂的效力，在包括制药、化妆品等行业的潜在广泛应用。这项研究于2024年2月16日在《自然催化》（Nature Catalysis）杂志网站发表——Kang Rui Garrick Lim, Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxés Perich, Jessi E. S. van der Hoeven, Michael Aizenberg, Joanna Aizenberg. Nanoparticle proximity controls selectivity in benzaldehyde hydrogenation. Nature Catalysis, 2024. DOI: 10.1038/s41929-023-01104-1. Published: 16 February 2024. https://www.nature.com/articles/s41929-023-01104-1

催化过程中的挑战(Challenges in Catalytic Processes) 

化学工业90%以上的过程都依赖于催化剂，而几乎所有这些催化剂都是由分散在衬底上的纳米颗粒组成的。长期以来，研究人员一直怀疑单个纳米颗粒的大小和它们之间的距离对催化反应的速度和产物的产生起着重要的作用，但由于纳米颗粒在催化过程中容易移动和聚集，因此很难确切地研究其机理。

在过去的十年中，艾米·史密斯·贝里森(Amy Smith Berylson)材料科学教授和化学及化学生物学教授乔安娜·艾森贝格（Joanna Aizenberg）和她的实验室一直在从大自然中汲取灵感，为广泛的催化反应构建高度有序的多孔材料。受蝴蝶翅膀结构的启发，研究人员设计了一种新的催化剂平台，将部分纳米颗粒嵌入基质，使它们在催化过程中不会移动，而将其余纳米颗粒暴露在表面，使它们能够有效地进行催化反应，而不会聚集。

提高反应选择性（Enhancing Reaction Selectivity）

研究人员发现，粒子之间的距离对反应的选择性有很大的影响。

乔安娜·艾森贝格实验室的研究生、该研究的第一作者Kang Rui Garrick Lim表示，“许多与工业相关的化学反应都遵循级联反应，即化学物质A转化为化学物质B，然后再转化为化学物质C，以此类推。在一些催化过程中，中间的化学物，即化学物质B，是目标物，而在另一些催化过程中，目标物则是最终的产物，即化学物C。催化剂的选择性是指它是倾向于产生化学物B还是化学物C。”

一个很好的例子是苯甲醇（benzyl alcohol）的生产，这种化学物质用于从虫胶、油漆、皮革生产到静脉注射药物、化妆品和局部用药的各种领域。苯甲醇是中间化学物质B，在反应生成甲苯(toluene，即化学物质C)之前由苯甲醛(benzaldehyde，即化学物质A)加氢产生，甲苯是另一种常用的化学物质，但价值较低。为了有效地生产苯甲醇，需要抑制甲苯的生成。

目前，为了制造更有用的苯甲醇，催化加氢反应被放慢，或者不进行完成，以确保反应在B处停止，并形成尽可能少的甲苯。

“一般来说，为了制造这些中间化学物质，需要降低催化剂的反应活性，使整个反应速度变慢，这根本不会产生任何效果，因为催化剂的作用是加速反应速度，而不是减慢反应速度，”Kang Rui Garrick Lim说。

影响及未来方向（Implications and Future Directions）

研究人员在苯甲醇的催化形成中展示了他们的平台。Kang Rui Garrick Lim和他的团队发现，当催化金属纳米颗粒在基质上放置得更远时，反应对中间化学物质苯甲醇的选择性更强。当纳米颗粒靠近时，反应对最终产物甲苯的选择性更强。考虑到纳米颗粒之间的距离可以使用生物启发的催化剂平台进行合成调整，该研究表明，相同的催化剂平台可以很容易地用于一系列中间或最终产物化学品。

乔安娜·艾森贝格说:“催化是生产一系列极其重要的材料的核心，这些材料用于制药、消费品和制造我们日常生活中使用的许多产品。将这种提高选择性的工具添加到化学家的武器库（chemist’s arsenal）中是极其重要的。它将允许更有效地调整催化过程，更经济地使用原料，同时减少能源消耗和废物产生。我们希望化学家们将使用我们的平台进一步优化新的和现有的催化过程。”

接下来，该团队将使用相同的平台来了解纳米颗粒的大小如何影响纳米颗粒之间固定距离的反应。

这项工作得到了可持续催化综合中尺度体系结构(Integrated Mesoscale Architectures for Sustainable Catalysis简称IMASC)的支持，IMASC是一个能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center），由美国能源部（US Department of Energy）、科学办公室（Office of Science）、基础能源科学资助(Basic Energy Sciences under award number DE-SC0012573)；也得到了来自美国国防威胁减少局(US Defense Threat Reduction Agency简称DTRA under award number HDTR1211001612)以及由乌得勒支大学电子显微镜中心的启动PI基金(Starting PI Fund of the Electron Microscopy Center at Utrecht University)的资助。相关测试在纳米系统中心(Center for Nanoscale Systems简称CNS)进行，该中心是美国国家纳米技术协调基础设施网络(National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network简称NNCI)的成员，由美国国家科学基金会(National Science Foundation under NSF ECCS award number 1541959)支持。还有新加坡科学技术研究局(A*STAR)新加坡国家科学(博士)奖学金{ Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) Singapore National Science Scholarship (PhD)}、瑞士国家科学基金会对早期博士后奖励（Swiss National Science Foundation for the award of an Early Postdoc）、瑞士流动性奖学金(Mobility fellowship: SNSF grant number P2EZP2_199972)的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Disentangling the effects of nanoparticle proximity and size on thermal catalytic performance is challenging with traditional synthetic methods. Here we adapt a modular raspberry-colloid-templating approach to tune the average interparticle distance of PdAu alloy nanoparticles, while preserving all other physicochemical characteristics, including nanoparticle size. By controlling the metal loading and placement of pre-formed nanoparticles within a 3D macroporous SiO₂ support and using the hydrogenation of benzaldehyde to benzyl alcohol and toluene as the probe reaction, we report that increasing the interparticle distance (from 12 to 21 nm) substantially enhances selectivity towards benzyl alcohol (from 54% to 99%) without compromising catalytic performance. Combining electron tomography, kinetic evaluation and simulations, we show that interparticle distance modulates the local benzyl alcohol concentration profile between active sites, consequently affecting benzyl alcohol readsorption, which promotes hydrogenolysis to toluene. Our results illustrate the relevance of proximity effects as a mesoscale tool to control the adsorption of intermediates and, hence, catalytic performance.