Auf der Suche nach den "heiligen Gralen" der Katalyse
Bewertung der jüngsten Fortschritte beim Einsatz von Ein-Atom-Katalysatoren für fünf "heilige Gral"-Reaktionen
Im Bereich der Katalyse bezieht sich der Begriff "heiliger Gral" auf Reaktionen, die für die Zukunft der Menschheit von erheblichem wissenschaftlichem, wirtschaftlichem und ökologischem Wert sind. Bei diesen Reaktionen werden die auf der Erde reichlich vorhandenen Ressourcen wie Methan (CH4), Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) genutzt, um verschiedene wertvolle chemische Produkte herzustellen. Trotz ihrer Bedeutung leiden diese Reaktionen aufgrund der chemischen Trägheit der Reaktanten und der relativ hohen Reaktivität der Produkte häufig unter niedrigen Umsatzraten und schlechter Selektivität. Die Entwicklung neuer Katalysatoren zur Senkung der Aktivierungsenergiebarriere bleibt eine große Herausforderung.
Forscher der National University of Singapore und des Dalian Institute of Chemical Physics, CAS, haben eine Studie veröffentlicht, in der sie die jüngsten Fortschritte bei der Verwendung von strukturell gut definierten Ein-Atom-Katalysatoren (SACs) für mehrere "heilige Gral"-Reaktionen bewerten, darunter die oxidative und nicht-oxidative Methanumwandlung, die künstliche Photosynthese und die Stickstoffaktivierung. Es werden vielversprechende Fortschritte und die verbleibenden Herausforderungen bei der Verwendung von SACs für diese unschätzbaren Reaktionen in der thermischen, elektrischen und lichtgetriebenen Katalyse diskutiert. Auch das bedeutende Potenzial der künftigen Entwicklung von SACs wird hervorgehoben.
Chinese Journal of Catalysis
Einatomige Katalysatoren (SACs), die teilweise geladene einzelne Metallatome mit gut definierten und abstimmbaren Strukturen enthalten, stellen eine vielversprechende Klasse heterogener Katalysatoren dar. Die Entwicklung neuartiger SACs kann nicht nur die Effizienz der Atomnutzung in aktiven Metallen verbessern, sondern auch ein tieferes Verständnis der Reaktionsmechanismen und der Struktur-Aktivitäts-Beziehungen fördern. In den letzten Jahren wurden neue SACs für die anspruchsvollen "heiligen Gral"-Reaktionen eingesetzt, um die Konversionsrate und Selektivität zu verbessern und/oder mildere Reaktionsbedingungen zu ermöglichen.
In diesem Zusammenhang haben Prof. Ning Yan (National University of Singapore), Prof. Tao Zhang (Dalian Institute of Chemical Physics, CAS) und Mitarbeiter eine Studie veröffentlicht, die die neuesten Anwendungen von SACs in fünf "heiligen Gral"-Reaktionen bewertet: partielle Methanoxidation zu Methanol, nichtoxidative Methankopplung, photokatalytische Wasserspaltung, photokatalytischeCO2-Reduktion und Stickstoffreduktion. SACs mit strukturell gut definierten Einzelatom-Metallstellen besitzen spezielle geometrische und elektronische Strukturen, die mit inerten Molekülen interagieren und den Umwandlungsprozess präzise regulieren, wodurch eine selektive Produktion des Zielprodukts erreicht wird. Einige SACs bestehen aus einem auf molekularer Ebene definierten Träger und einheitlichen Koordinationsumgebungen, die in Kombination mit fortgeschrittenen spektroskopischen Techniken und DFT-Berechnungen als ideale Modellkatalysatoren für eingehende mechanistische Studien dienen. In der Zwischenzeit können neue katalytische Materialien wie Multi-Site-Katalysatoren, die zwei einatomige Stellen mit unterschiedlichen Koordinationsstrukturen oder eine einatomige Stelle und andere nicht einatomige Stellen enthalten, die Aktivierung mehrerer Spezies erleichtern und synergistische Fördereffekte für die Reaktion bewirken.
Es wird ein Ausblick auf mögliche künftige Richtungen auf diesem Gebiet gegeben. Zu diesen atemberaubenden potenziellen Themen gehören die weitere Erforschung von Mechanismen und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen, die Nutzung fortschrittlicher Informationstechnologie für ein effizientes Katalysator-Screening, die Entwicklung neuartiger katalytischer Stellen, um den Anwendungsbereich katalytischer Materialien zu erweitern, und die Verbesserung der Stabilität von SACs unter Arbeitsbedingungen.
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