单原子催化剂在化工制造中的应用潜力
单原子催化剂在化工制造中的应用潜力
单原子催化剂（SACs）作为新一代催化材料，以其独特的原子级分散特性和近100%的活性位点利用率，在化工制造领域展现出巨大的应用潜力。近期，米兰理工大学和安特卫普大学的研究团队在Cell Reports Sustainability期刊上发表了一项重要研究，探讨了基于地壳丰度材料构建的SACs在绿色化学工艺中的应用前景。本文通过对话研究团队成员，深入解析了SACs在可持续发展中的重要作用及其面临的挑战。
单原子催化剂的可持续性优势
CellPress： 在精细化学品制造中，单原子催化剂为何比传统均相催化剂更具可持续性？
研究者： 单原子催化剂（SACs）结合了均相催化和多相催化的优点，是一种可持续发展的催化剂。均相催化剂通常依赖于昂贵且不可回收的有机金属配合物，而SACs利用固体载体固定催化剂的活性相，提高了可回收性并最大限度地减少了废物产生。此外，SACs实现了金属原子的高效利用，大大减少了对关键和稀有过渡金属（如钯、铂和铱）的依赖。然而，这些元素仍广泛用于催化材料当中。SACs的优势对于精细化学合成极为重要，因为成本、效率和环境影响是可持续发展的关键考虑因素。
指导未来催化工艺设计的原则
CellPress： 您的研究如何为未来设计更可持续的催化工艺提供指导？
研究者： 我们的研究强调了可持续催化过程的关键设计原则，包括需要：
- 通过SACs合理设计活性位点、增强配金属电荷转移效应和微调反应条件来优化催化性能
- 优先考虑基于地壳丰富的金属（如Ni）催化剂，而不是稀有且昂贵的金属（如Pd，Ir），以减少经济和环境影响
- 采用光化学或电化学活化代替传统的热催化，以降低能耗和温室气体排放
可再生能源通过取代化石燃料衍生的能源投入，大幅减少催化过程中的碳排放。在此背景下，与热催化相比，我们的研究强调电催化和光催化系统可以显著降低温室气体排放。然而，实现真正的可持续发展需要精心设计催化剂。例如，对于温室气体的大量排放来说，当使用均相催化剂时，光催化途径不一定比基于化石的热过程更具可持续性。然而，当SAC用于催化系统时，可持续特性则变得更为显著。基于人们对光催化的日益关注，兼具高选择性和高能效转化的光氧化还原催化，正在重塑催化研究的未来。
工业应用中的主要障碍及解决方案
CellPress： 单原子催化剂在规模化的工业应用中面临的主要障碍是什么？如何克服这些挑战？
研究者： 这与我们的研究密切相关。我们在SACs领域已经活跃了十年，并在早期发表了一些重要的研究论文。随着时间的推移，我们通过与行业的积极合作扩大了研究范围，获得了多项资助，其中一项就是致力于解决SACs规模化挑战的ERC概念验证项目。对我来说，SACs规模化的主要障碍包括：
- 稳定性：这需要深入理解如何在富含缺陷的载体上锚定活性中心或将金属活性结构封装在多孔基底上来增强耐久性
- 技术可行性：因为SACs特别是高载量活性中心的制备仍然具有挑战性，但是我们对单原子催化的未来仍持乐观态度。该技术自诞生至今不足十年，其技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL）仍处于较低阶段。尽管从实验室规模概念验证向商业化落地的跨越需经历多轮迭代优化（如活性位点稳定性强化与规模化合成工艺开发），但基于现有技术演化路径的稳健性，我们对其商业化前景持审慎乐观态度。量化模型表明，伴随单原子催化剂（SACs）生产规模的扩大，规模经济效应与工艺学习效应可协同驱动单位成本及全生命周期碳排放降低40%–60%。因此，通过靶向研发投入与紧密的产学研协同创新系统，SACs有望成为可持续精细化学品制造领域的主流催化技术。
这项研究不仅为SACs在化工制造中的应用提供了理论依据，也为实现绿色化学工艺的可持续发展指明了方向。随着技术的不断进步和成本的持续降低，SACs有望在未来的化工生产中发挥越来越重要的作用。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability，
- 论文标题：Sustainability assessment of single-atom catalysts in the transition to greener chemical processes
- 论文网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949790624004476
- DOI：https://doi.org/10.1016/j.crsus.2024.100286