单原子催化剂可以将氧化和还原结合起来

中国化学家已经孵化出了他们所说的蛋黄壳纳米结构首次将不同金属作为单原子催化剂进行整合，实现串联合成．“我们的设计理念是模拟酶催化或惰性化学键激活的重要一步，”他说袁吴来自合肥的中国科学技术大学。

在纳米结构的内部卵黄层，Wu和同事嵌入单个钯金属有机骨架(MOF)上的原子。在它的外层，它们嵌入铁在氮掺杂的碳壳中。在电解作用下，催化剂偶联烯烃和硝基芳香族化合物，铁原子和氧气环氧化前者和钯原子氢减少后者。他们已经开发了8种催化剂，主要的一种催化剂的铁和钯的比例相等。

Wu的团队受到光合作用和其他生物系统的启发，在这些系统中，酶经常在不同的位置同时进行氧化和还原反应。为了模拟这种情况，研究人员想要使用单原子催化剂，其中少量昂贵的金属能使反应出奇地好．Wu补充说，在一个系统中使用“看似不相容的氧化和还原反应”似乎是“一个巨大的挑战”。蛋黄壳设计的想法最初出现是因为吴的博士生赵亚飞正在寻找一种更安全的方法来与氧气和氢气进行反应。

化学家们首先将氯化钯封装在MOF中，然后在MOF上涂上二氧化硅。他们在二氧化硅表面涂上一层含有铁钛配合物的聚合物，并在700℃下对纳米系统进行热裂解，将金属分解成单个原子。最后，他们用基底蚀刻掉硅涂层，形成蛋黄壳结构。

Wu的团队将催化剂放入电解系统中，通过分解水产生氢和氧，从而减少了硝基苯和环氧苯乙烯。他们制得1-苯基-2-(苯氨基)乙醇产品，化学选择性为83%，产率为91%。研究人员还表明，这种催化剂适用于各种硝基苯和环己烯。“如果我们能通过合成条件或设备进一步提高催化选择性，它的工业化前景非常光明，”Wu说。

Abhaya Datye美国新墨西哥大学的研究人员对Wu的团队成功地将钯原子和铁原子放置在多孔结构中印象深刻。Datye说，它“为串联反应提供了卓越的选择性”。他补充说:“更广泛地应用这一概念，以及更简单的合成方案，可能有助于实现这一发现的广泛影响。”