image: Proposed catalytic cycles for hydrogenation reduction of benzaldehyde catalyzed by the nanomicrocell catalyst Pd-BNCD. view more
Credit: ©Science China Press
众所周知，化学反应涉及到电子和带电基团的迁移，其迁移方向取决于不同活性位点的氧化还原电势，可以通过设计成燃料电池将化学能转变为电能。虽然很多化学反应的吉布斯自由能远远小于零，但受高化学反应能垒的制约，往往需要高温、高压等苛刻反应条件才能引发化学反应，或者需要使用催化剂通过降低反应活化能才能使化学反应在温和条件下进行。科学工作者通过在固体催化剂中引入不同催化活性组分，期望通过协同作用提高催化效率，使催化反应在温和条件下进行。然而由于固体催化剂本身结构的复杂性以及制备的不可控性，亟需新型催化剂理论指导催化剂设计、合成与应用。近期的一个研究工作提出了一种新型微纳电池催化剂，为设计合成新型催化剂用于显著降低化学反应能垒、提高催化效率打开了新的窗口。
相关研究的论文题目为“Reducing energy barriers of chemical reactions with a nanomicrocell catalyst consisting of integrated active sites in conductive matrices”，发表在Science Bulletin上，通讯作者为浙江大学化学系吴传德教授。他们的研究受自然界钢铁腐蚀等自然现象的启发，发展了一种新型微纳电池催化剂，用于显著降低化学反应能垒，提高催化效率。微纳电池催化剂是以导电纳米材料为载体，在载体骨架上引入了具有不同氧化-还原电势以及催化性质的活性位点。微纳电池催化剂体系集成了微纳电极对、纳米导电基质和电解液等类似于燃料电池或原电池的基本要素。
研究人员以B和N共掺杂的纳米碳点为连接微纳电极对的导电基质，以与N原子配位的Pd物种为微纳阳极以及以缺电子的B原子为微纳阴极，发展了一个微纳尺度的微型燃料电池催化剂，即微纳电池催化剂。实验结果表明，微纳电池催化剂在催化氢化苯甲醛时，表现出了独特的催化性质，其催化性质取决于不同电极对不同反应物的选择吸附性质和催化活化性质以及电子和载流子的传输效率等。
微纳电池催化剂为许多难以解释的催化化学反应现象提供了一种新的理解视角，为合成新型催化剂用于显著降低化学反应能垒、提高催化效率打开了新的窗口，也为发展抑制型催化剂用于防腐等领域提供了新思路，还可以用于指导电催化剂以及光催化剂的设计、制备与催化性质调控。
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研究工作得到了国家自然科学基金项目（21373180, 21525312 和21872122）的资助。
更多详情请阅原文：
Guo-Peng Zhan, Chuan-De Wu. Reducing energy barriers of chemical reactions with a nanomicrocell catalyst consisting of integrated active sites in conductive matrices. Science Bulletin, 2019, 64(6): 385-390
https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.02.004
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Science Bulletin