单原子催化:沟通均相催化与多相催化的桥梁

doi:10.1016/S1872-2067(18)63047-5

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (5): 893-898.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63047-5

单原子催化:沟通均相催化与多相催化的桥梁

陈芳^a, 江训柱^a,b, 张磊磊^a, 郎睿^a, 乔波涛^a

a 中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 辽宁大连 116023;
b 大连理工大学化学学院, 辽宁大连 116024

收稿日期:2017-12-23 修回日期:2018-02-02 出版日期:2018-05-18 发布日期:2018-04-19
通讯作者: 乔波涛
基金资助:
国家自然科学基金（21606222，21776270）；中国博士后基金面上资助（2017M621170，2016M601350）.

Single-atom catalysis:Bridging the homo-and heterogeneous catalysis

Fang Chen^a, Xunzhu Jiang^a,b, Leilei Zhang^a, Rui Lang^a, Botao Qiao^a

a State Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
b School of Chemistry, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China

Received:2017-12-23 Revised:2018-02-02 Online:2018-05-18 Published:2018-04-19
Contact: 10.1016/S1872-2067(18)63047-5
Supported by:
This work was supported by National Natural Science Foundation of China (21606222, 21776270), and Postdoctoral Science Foundation (2017M621170, 2016M601350).

摘要/Abstract

摘要：

催化在现代化学工业中占据着极为重要的地位.催化剂是催化过程的核心.均相催化剂由于具有均一、孤立的活性位点，往往具有高活性与高选择性；但是分离困难限制了其实际应用.多相催化剂由于金属原子利用效率低、活性组分不均匀，活性与选择性相对较低；但其稳定易分离的特点使得目前大多数工业催化过程都是多相催化过程.近年来，单原子催化逐渐成为催化领域新的研究热点与前沿，受到相关研究人员的广泛关注.作为一种多相催化剂，单原子催化剂具有稳定易分离的优势.此外，单原子催化剂具有类似均相催化剂的孤立活性位点，可能具有高活性与高选择.因此单原子催化的概念一经提出，便被认为有望成为架起多相催化与均相催化的桥梁；但几年来并未从实验上得到证实.2016年开始，逐渐有单原子催化剂在经典均相催化反应过程中的应用报道，为该观点提供了实验上的证据.本综述概述了2016至2017年单原子催化剂在典型均相催化反应中的成功应用，包括：1）氢甲酰化反应.以烯烃和合成气为原料合成精细化学品醛类化合物的氢甲酰化反应是目前化工生产中典型的均相催化反应之一.2016年，张涛课题组和曾杰课题组先后报道了Rh/ZnO和Rh/CoO单原子催化剂在该反应中的成功应用.催化剂都表现出优异的催化性能，活性与经典均相Wilkinson's催化剂相当；2）氢硅加成反应.作为合成有机硅产品的重要反应之一，工业上硅氢加成反应主要由Pt基均相催化剂催化.2016年Beller课题组首次报道了将Pt/Al₂O₃单原子催化剂用于烯烃硅氢加成反应中.该催化剂除表现出良好的催化活性和区域选择性外，还具有较高的稳定性和底物普适性；3）C-H键选择性氧化.烷烃部分氧化反应在学术研究和工业应用方面都有重要意义.刘文刚等将M-N-C单原子催化剂（其中M为Fe，Co等金属）成功应用于C-H键的活化反应中，并对催化剂的结构进行了深入剖析.以上实例表明通过调控金属与载体组合、设计开发合适的单原子催化剂，可以达到结合均相催化高活性、高选择性与多相催化稳定易分离的目的，为均相催化多相化提供了一条新途径，也证明单原子催化可望成为沟通均相催化与多相催化的桥梁.

关键词: 单原子催化, 均相反应多相化, 氢甲酰化反应, 氢硅加成反应, 碳氢键活化

Abstract:

Single-atom catalysis, the catalysis by single-atom catalysts (SACs), has attracted considerable attention in recent years as a new frontier in the heterogeneous catalysis field. SACs have the advantages of both homogeneous catalysts (isolated active sites) and heterogeneous catalysts (stable and easy to separate), and are thus predicted to be able to bridge the homo-and heterogeneous catalysis. This prediction was first experimentally demonstrated in 2016. In this mini-review, we summarize the few homogeneous catalysis progresses reported recently where SACs have exhibited promising application:a) Rh/ZnO and Rh/CoO SAC have been used successfully in hydroformylation of olefin of which the activity are comparable to the homogeneous Wilkinson's catalyst; b) a Pt/Al₂O₃SAC has shown excellent performance in hydrosilylation reaction; and c) M-N-C SACs (M=Fe, Co etc.) have been applied in the activation of C-H bonds. All of these examples suggest that fabrication of suitable SACs could provide a new avenue for the heterogenization of homogeneous catalysts. These pioneering works shed new light on the recognition of single-atom catalysis in bridging the homo-and heterogeneous catalysis.

Key words: Single-atom catalysis, Heterogenization of homogeneous catalysts, Hydroformation, Hydrosilylation, Activation of C-H bonds

陈芳, 江训柱, 张磊磊, 郎睿, 乔波涛. 单原子催化:沟通均相催化与多相催化的桥梁[J]. 催化学报, 2018, 39(5): 893-898.

Fang Chen, Xunzhu Jiang, Leilei Zhang, Rui Lang, Botao Qiao. Single-atom catalysis:Bridging the homo-and heterogeneous catalysis[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(5): 893-898.

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Single-atom catalysis:Bridging the homo-and heterogeneous catalysis

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