一項新的聚合物平臺技術(shù)能將單個金屬原子鎖定在精確位置，從而提升穩(wěn)定性并實現(xiàn)更清潔的催化反應(yīng)。

科學(xué)家們在逐原子構(gòu)建催化劑方面取得了重大進展，實現(xiàn)了前所未有的精準控制。單原子催化劑常被譽為未來更清潔、更高效化學(xué)反應(yīng)的希望。然而，讓它們在低溫實驗室之外發(fā)揮作用，一直是一項重大的工程和材料挑戰(zhàn)。溫度一旦升高，原子就容易團聚成簇；而將它們置于精確設(shè)計的化學(xué)環(huán)境中，也幾乎是不可能完成的任務(wù)。

如今，一個由意大利、日本和瑞士研究人員組成的國際團隊展示了一種突破性的方法，可同時克服這兩個障礙?？茖W(xué)家們利用原子分辨率掃描探針顯微鏡引導(dǎo)的表面合成技術(shù)，創(chuàng)建了一維有機聚合物，該聚合物能選擇性地將金屬原子錨定在統(tǒng)一設(shè)計的配位點上。其結(jié)果是獲得了一種可調(diào)節(jié)的分子級結(jié)構(gòu)，其行為類似合成酶支架——只是控制精度更高。

設(shè)計的原子級精度

據(jù)研究團隊稱，這是首次制造出具有周期性側(cè)延伸結(jié)構(gòu)的聚合物基材料，該結(jié)構(gòu)專門設(shè)計用于將單個原子結(jié)合在可重復(fù)的位置上。該平臺堅固耐用、可定制，并且旨在讓每個金屬原子都暴露于反應(yīng)物之中，這是實現(xiàn)最大催化活性的關(guān)鍵要求。

主要作者馬爾科·迪·喬瓦納托尼奧博士清晰地闡述了研究動機："為了實現(xiàn)最大的催化效率，我們必須確保催化劑中的每個原子都能被試劑接觸到——這在塊體材料或原子簇中是不可能的，因為內(nèi)部的原子會被隱藏。"他補充道，自然界已經(jīng)通過酶的活性位點解決了這個問題，并指出："我們的方法通過將金屬原子隔離在聚合物鏈上均勻的位點中，且具有出色的穩(wěn)定性（甚至在室溫以上），為開發(fā)近乎酶活性的催化劑開辟了一條新途徑。"該團隊還強調(diào)了該結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，可根據(jù)目標反應(yīng)支持不同的金屬和配體。

更強的鍵合行為

一項并行理論研究探討了這些聚合物結(jié)合的單原子如何與關(guān)鍵工業(yè)氣體相互作用。研究結(jié)果令人矚目：相比其他常見的催化劑框架，該結(jié)構(gòu)對一氧化碳、氧氣和氫氣的結(jié)合能力要強得多。這種增強的反應(yīng)活性為研究重要工業(yè)過程背后的機理提供了可能，特別是那些需要選擇性穩(wěn)定反應(yīng)中間體的過程。

一個直接的關(guān)注領(lǐng)域是二氧化碳轉(zhuǎn)化，單原子催化劑可以更高精度、更低能耗地將二氧化碳導(dǎo)向更有價值的化學(xué)產(chǎn)物。

這一概念性飛躍超越了催化領(lǐng)域本身。正如成田明光教授所指出的："這項工作不僅為構(gòu)建具有原子級明確反應(yīng)中心的單原子催化劑引入了一種新策略，而且為合理設(shè)計用于未來各種應(yīng)用的有機金屬納米材料奠定了基礎(chǔ)。"

研究人員表示，這種最終能防止原子團聚、可在室溫以上工作并能逐個位點進行設(shè)計的結(jié)構(gòu)，可能會加速下一代催化技術(shù)的發(fā)展，包括更清潔的燃料、更綠色的化學(xué)合成以及更高效的工業(yè)轉(zhuǎn)化途徑。

該團隊的研究結(jié)果和方法細節(jié)已發(fā)表在《自然-通訊》期刊上。

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