Auf der Suche nach dem „heiligen Gral“ der Katalyse

Im Bereich der Katalyse bezieht sich der Begriff „Heiliger Gral“-Reaktionen auf Reaktionen, die einen erheblichen wissenschaftlichen, wirtschaftlichen und ökologischen Nachhaltigkeitswert für die Zukunft der Menschheit haben. Diese Reaktionen nutzen reichlich vorhandene und leicht verfügbare Ressourcen auf der Erde, wie Methan (CH4), Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2), um verschiedene wertvolle chemische Produkte herzustellen.

Trotz ihrer Bedeutung leiden diese Reaktionen aufgrund der chemischen Inertheit der Reaktanten und der relativ hohen Reaktivität der Produkte häufig unter niedrigen Umwandlungsraten und schlechter Selektivität. Die Entwicklung neuer Katalysatoren zur Senkung der Aktivierungsenergiebarriere bleibt eine große Herausforderung.

Einzelatomkatalysatoren (SACs), die teilweise geladene einzelne Metallatome mit wohldefinierten und einstellbaren Strukturen enthalten, stellen eine vielversprechende Klasse heterogener Katalysatoren dar. Die Entwicklung neuartiger SACs kann nicht nur die Effizienz der atomaren Nutzung in aktiven Metallen verbessern, sondern auch ein tieferes Verständnis der Reaktionsmechanismen und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen fördern.

In den letzten Jahren wurden neue SACs für diese anspruchsvollen „Heiligen-Gral“-Reaktionen eingesetzt, mit dem Ziel, die Konversation und Selektivität zu verbessern und/oder mildere Reaktionsbedingungen zu ermöglichen.

In diesem Zusammenhang veröffentlichten Prof. Ning Yan (National University of Singapore), Prof. Tao Zhang (Dalian Institute of Chemical Physics, CAS) und Mitarbeiter eine Perspektive, die die neuesten Anwendungen von SACs in fünf „heiligen Gral“-Reaktionen bewertet: partielle Methanoxidation zu Methanol, nichtoxidative Methankopplung, photokatalytische Wasserspaltung, photokatalytische CO2-Reduktion und Stickstoffreduktion. Die Perspektive wurde veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse

SACs mit strukturell wohldefinierten Einzelatom-Metallstellen verfügen über 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 definierten Trägern auf molekularer Ebene und einheitlichen Koordinationsumgebungen und fungieren in Kombination mit fortschrittlichen spektroskopischen Techniken und DFT-Berechnungen als ideale Modellkatalysatoren für eingehende mechanistische Studien.

In der Zwischenzeit können neue katalytische Materialien wie Katalysatoren mit mehreren Standorten, die zwei Einzelatomstellen mit unterschiedlichen Koordinationsstrukturen oder eine Einzelatomstelle und andere Nicht-Einzelatomstellen enthalten, die Aktivierung mehrerer Spezies erleichtern und synergistische Fördereffekte hervorrufen Reaktion.

Mögliche zukünftige Richtungen auf diesem Gebiet umfassen die weitere Erforschung von Mechanismen und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen, die Nutzung fortschrittlicher Informationstechnologie für ein effizientes Katalysator-Screening, die Entwicklung neuartiger katalytischer Zentren zur Erweiterung des Anwendungsbereichs katalytischer Materialien und die Verbesserung der Stabilität von SACs unter Arbeitsbedingungen.