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

科學(xué)家們?cè)谥鹪訕?gòu)建催化劑方面取得了重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了前所未有的精準(zhǔn)控制。單原子催化劑常被譽(yù)為未來更清潔、更高效化學(xué)反應(yīng)的希望。然而，讓它們?cè)诘蜏貙?shí)驗(yàn)室之外發(fā)揮作用，一直是一項(xiàng)重大的工程和材料挑戰(zhàn)。溫度一旦升高，原子就容易團(tuán)聚成簇；而將它們置于精確設(shè)計(jì)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(gè)由意大利、日本和瑞士研究人員組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)展示了一種突破性的方法，可同時(shí)克服這兩個(gè)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(jī)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(jì)的配位點(diǎn)上。其結(jié)果是獲得了一種可調(diào)節(jié)的分子級(jí)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(jì)的原子級(jí)精度

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)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(jì)用于將單個(gè)原子結(jié)合在可重復(fù)的位置上。該平臺(tái)堅(jiān)固耐用、可定制，并且旨在讓每個(gè)金屬原子都暴露于反應(yīng)物之中，這是實(shí)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(dòng)機(jī)："為了實(shí)現(xiàn)最大的催化效率，我們必須確保催化劑中的每個(gè)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?yàn)閮?nèi)部的原子會(huì)被隱藏。"他補(bǔ)充道，自然界已經(jīng)通過酶的活性位點(diǎn)解決了這個(gè)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(diǎn)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(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)了該結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，可根據(jù)目標(biāo)反應(yīng)支持不同的金屬和配體。

更強(qiáng)的鍵合行為

一項(xiàng)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(duì)一氧化碳、氧氣和氫氣的結(jié)合能力要強(qiáng)得多。這種增強(qiáng)的反應(yīng)活性為研究重要工業(yè)過程背后的機(jī)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(gè)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(jià)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(xiàng)工作不僅為構(gòu)建具有原子級(jí)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(jì)用于未來各種應(yīng)用的有機(jī)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(tuán)聚、可在室溫以上工作并能逐個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)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(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果和方法細(xì)節(jié)已發(fā)表在《自然-通訊》期刊上。

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