Small Structures:类卟啉型单原子催化剂合成和应用进展

卟啉作为多种生物酶的活性中心,是一类重要的仿生催化剂,具有高活性、高选择性、环境友好等优点。但是,卟啉小分子通常在催化中存在稳定性差,以及难以从催化体系中分离的问题,导致其实际应用受到限制。随着单原子催化剂的发展,研究发现一些碳基单原子催化剂中具有类卟啉型的活性中心。这种类卟啉型单原子催化剂表现出了与卟啉分子相似的催化性能,同时兼具了非均相催化剂稳定性好,易分离等优点,因此在催化反应中获得了广泛的应用。

中国科学院理化技术研究所张铁锐课题组总结了近期类卟啉型单原子催化剂合成和应用的最新进展。

作者首先总结了类卟啉型单原子催化剂的合成方法,包括金属有机框架材料(MOF)法、湿化学法、模板法、球磨法等。其中,MOF法已经发展成为一种通用的类卟啉型单原子催化剂合成方法,并且可以方便地调节单原子负载量,所合成的催化剂在多种反应中表现出了优异的催化性能。湿化学法是一种简单的合成类卟啉型单原子催化剂的方法,具有操作简单、成本低、金属负载量高、可大批量合成等优点,但是该方法对催化剂形貌缺乏控制。模板法能够对催化剂形貌进行有效的控制,并且能够抑制金属的聚集,但模板需腐蚀去除,相对复杂耗时。随后进一步介绍了类卟啉型单原子催化剂在催化中的应用,包括电催化氧还原反应、水分解反应、二氧化碳还原反应和有机反应等。在氧还原反应中,类卟啉型单原子催化剂在酸性和碱性介质中,能够模拟卟啉的氧还原反应性能,表现出优异的催化活性,但是稳定性仍有待进一步提高。在二氧化碳还原反应中,类卟啉型镍单原子表现出了优异的催化性能,具有高的一氧化碳选择性。钴基和铁基单原子催化剂同样表现出了较好的催化性能,但通常产物仅能到一氧化碳。铜基单原子催化剂在二氧化碳还原中也表现出了较好的催化性能,值得注意的是其能够生成甲烷、甲醇、乙烯、乙醇等深度还原产物。此外,类卟啉型单原子催化剂在有机合成反应中也可以模拟卟啉催化,获得了广泛研究,主要包括不饱和键加氢反应、碳氢键氧化反应以及偶联反应等。展望部分作者认为:目前类卟啉型单原子催化剂研究仍然存在一些挑战,例如单原子活性位点暴露不足、反应机理认识不足等。为解决这些问题,在合成类卟啉型单原子催化剂时需要对催化剂结构和金属负载量同时进行调控。此外,利用先进的原位检测技术有助于更加深入地理解催化活性位点的构效关系。作者认为类卟啉型单原子催化剂作为在原子尺度上仿生的催化材料,结合了卟啉分子和非均相催化两者的优点,未来有望在工业催化领域获得广泛应用。

Recent Advancements of Porphyrin-Like Single-Atom Catalysts: Synthesis and Applications

Hongzhou Yang, Run Shi, Lu Shang*, Tierui Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100007

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100007