研究人员拓展了提高催化反应选择性的方法

来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS)、哈佛大学化学与化学生物学系和乌得勒支大学的研究人员报告了一种以前难以捉摸的提高催化反应选择性的方法，增加了一种提高催化反应选择性的新方法。催化剂在各个行业(包括制药、化妆品等)潜在广泛应用的功效。

该研究发表在《自然催化》杂志上。

化学工业 90% 以上的工艺都依赖催化剂，几乎所有这些催化剂都由分散在基材顶部的纳米颗粒组成。研究人员长期以来一直怀疑单个纳米颗粒的尺寸和它们之间的距离对催化反应的速度和产生的产物起着重要作用，但由于纳米颗粒在催化过程中容易移动和团聚，因此研究起来很困难究竟如何。

在过去的十年中，艾米·史密斯·贝里尔森材料科学教授兼化学与化学生物学教授乔安娜·艾森伯格和她的实验室一直从大自然中汲取灵感，为各种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，将纳米粒子部分嵌入基底中，捕获它们，使它们在催化过程中不会移动，同时使纳米粒子的其余表面暴露在外，使它们能够发挥作用催化反应高效且无团聚。

研究人员发现，颗粒之间的距离对反应的选择性有巨大影响。

艾森伯格实验室的研究生、该研究的第一作者康瑞·加里克·林 (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，其中化学物质 A 转化为化学物质 B，然后化学物质 B 又可以转化为化学物质 C，依此类推。” 。“在某些催化过程中，中间化学品(化学品 B)是目标，而在其他催化过程中，目标是最终产品(化学品 C)。催化剂的选择性是指它是否有利于化学品 B 或化学品 C 的生产。”

苯甲醇的生产就是一个很好的例子，苯甲醇是一种用于从虫胶、油漆和皮革生产到静脉注射药物、化妆品和外用药物等各种用途的化学品。

苯甲醇是中间体化学品 B，源自苯甲醛(化学品 A)的氢化，然后反应生成甲苯(化学品 C)，这是另一种常用的化学品，但价值较低。为了有效地生产苯甲醇，需要抑制甲苯的形成。

目前，为了制造更有用的苯甲醇，催化加氢反应会减慢，或者不进行完全，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品，你会降低催化剂的反应性，并使整体反应变慢，这根本没有生产力，”林说。“催化剂的目的是加快速度，而不是减慢速度。”

研究人员展示了他们在催化形成苯甲醇方面的平台。Lim 和研究小组发现，当催化金属纳米粒子在基材上放置得更远时，反应对中间化学品苯甲醇更具选择性。当纳米颗粒靠得更近时，反应对最终产物甲苯的选择性更强。鉴于纳米粒子之间的距离可以使用仿生催化剂平台进行综合调整，研究表明相同的催化剂平台可以很容易地适用于一系列中间或最终产品化学品。

“催化对于生产一系列极其重要的材料至关重要，这些材料用于药品、消费品以及我们日常生活中使用的许多产品的制造，”艾森伯格说。“将这种选择性改进工具添加到化学家的武器库中极其重要。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。我们希望化学家能够利用我们的平台进一步优化新的和现有的催化工艺。”

接下来，该团队将使用相同的平台来了解纳米颗粒的尺寸如何影响纳米颗粒之间固定距离处的反应。

哈佛大学技术开发办公室保护了艾森伯格教授实验室的知识产权，这是这项研究的基础技术。