הפוטנציאל של תגובה חד-אטומית לפעילות אולטרה-גבוהה

מבוא ל-one-Atom Catalysis

זרז חד-אטומי (SACs) הופיעו כאחד מהגבול המבטיחים ביותר בקטאליזה הטרוגנית, המציעה עזיבה רדיקלית מזרז מבוסס חלקיקים מסורתיים.על ידי פיזור אטומי מתכת בודדים על חומר תמיכה מתאים, SACs להשיג יעילות ניצול אטום הגישות את הגבול התיאורטי - כל אטום יחיד יכול לשמש אתר פעיל.

מה שהופך את SACs מרגש במיוחד הוא היכולת שלהם לגשר על הפער בין שיתוק הומוגני ו heterogeneous. הם משלבים את האתרים הפעילים המוגדרים היטב ובחירתיות גבוהה האופייניים לזרז הומוגני עם העוצמה וההחלמה של מערכות heterogeneous.זה הטבע היברידי פותח אפשרויות חדשות עבור זרזים עם תכונות אלקטרוניות וגיאומטריות מותאמים, בדרך כלל ממתכת אצילית כמו מתכות חד פעמיות, או אינטראקציה ייחודית, הן באמצעות תצורה אלקטרונית, או תצורה תצורה תצורה תצורה אופציונלית, או תצורה תצורה הדבקה אופציונלית, הן אופציונלית, הן אופציונלית, 000.

לקבלת מבוא עמוק יותר לעקרונות ופיתוח היסטורי של שיתוק חד-אטומי, ראה את זה (FLT:0) סקירה ממוקדת בטבע ביקורות כימיה FLT:1.

עקרונות יסוד של Catalysts בודדים

דיספרסיון ותיאום סביבה

התכונה המגדירה של SACs היא בידוד של אטומי מתכת על פני השטח תמיכה ללא אג"ח מתכת-מטאלי סמוך.פיזור זה ממקסם את מספר האתרים הפעילים הנגישים לכל יחידת מתכת, אשר חשוב במיוחד עבור מתכות יקרות שבו עלות ומחסור הם מגבילים את הגורמים.סביבת התיאום סביב כל אטום בודד נקבעת על ידי חומר התמיכה וכל רצועות גיאומטריות מייצבות כולל שלושה, 000, או חומרים עמידים, תמיכה מגנטית, או תמיכה אוטומטית, או תמיכה, לעתים קרובות, תמיכה מגנטית-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחץ-מחדש, או תמיכה, או תמיכה, או תמיכה מגנטית-מחדש, או תמיכה מגנטית-מחדשת-מחדשת-מחדש, או תמיכה מגנטית-מחדשת, או הגנה אוטומטית, כולל חומר הגנה אוטומטית-מחדשת-מחדשת-מחדש, כולל חומר תומך-מסוגננת-מסוגננת-מחדש-מחדש-מחדש, כולל פונקציות מתכתי-מחדש-מחדש-מ

שינוי מבנה אלקטרוני

כאשר אטומי מתכת מבודדים על תמיכה, המבנה האלקטרוני שלהם שונה באופן משמעותי ממתכות גדולות.אפקט המגבלות מוביל לנתיבים אטומיים חדים ולא להקות רציפות, וכתוצאה מכך רמות אנרגיה דיסקרטיות שניתן לכוון באמצעות בחירת המתכת, התמיכה והסביבה התיאום.אפקט הזה מאפשר לחוקרים לייעל את האנרגיה של מגיבים ומדפי ביניים, המשפיעה ישירות על פעילות קטליטית וסלקטיביות, לדוגמה, על תפקוד חד-טראומה, באמצעות אפקט שלילי, באמצעות אפקט של השפעה על תפקוד חד-ממדי, באמצעות רמת השפעה על ידי השפעה על תפקוד חד-משמעית חזק על תפקודים, או השפעה על תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקודים של תפקודים, באמצעות רמת השפעה על ידי תאים, באמצעות רמת השפעה מוגבלת על ידי השפעה על ידי השפעה על ידי השפעה על ידי תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקוד חד-משמעית של תפקודים, באמצעות רמת השפעה על ידי תפקודים, באמצעות תפקודים, באמצעות אפקט, באמצעות אפקט, באמצעות אפקט, באמצעות תפקודים, באמצעות אפקט, באמצעות אפקט, באמצעות אפקט, באמצעות אפקט, באמצעות

יתרונות מרכזיים של Catalysts

יעילות מקסימלית

היתרון הברורה ביותר של SACs הוא שכל אטום מתכת הוא פעיל קטליטי.בזרזים ננו-חלקיקים מסורתיים, חלק משמעותי של אטומים מתגוררים בפנים הרוב, והם בלתי נגישים להגיב, במיוחד עבור חלקיקים גדולים יותר.עבור 5 ננו חלקיקים טיפוסיים, פחות מ-40% מהאטומים נמצאים על פני השטח.

בחירה יוצאת דופן

האתרים הפעילים המדים והמפוגדרים היטב ב-SACs מובילים לסלקטיביות גבוהה בתגובות קטליטיות. כי כל האתרים הפעילים זהים - או לפחות דומים מאוד - בתיאום ובמבנה האלקטרוני שלהם, הם מקדמים את אותה הדרך עם תגובות שליליות מינימליות.זה חשוב במיוחד בשינויים מורכבים שבהם זרזים מסורתיים עשויים לייצר תערובת של מוצרים בשל נוכחות של אתרים פעילים שונים על פני חלקיקים (למשל, מעברימסלול, מטריה מסוימת, או מזהמים, או מזהמים, או מזהמים, נמצאים בקרבת מקום שבו הם יכולים לייצר תערובת של חומרים לא רצויה).

תגובה ייחודית Pathways

התכונות האלקטרוניות החריגות של אטומים בודדים יכולות לייצב את אמצעי התגובה שאינם יציבים על חלקיקי מתכת גדולים יותר, המאפשרות מחזורי קטליטי חדש לחלוטין.זה פותח הזדמנויות לתגובות שקשה או בלתי אפשרי עם זרז קונבנציונלי.לדוגמה, SACs הוכחו כדי להקל על המרה ישירה של מתאן-למול בתנאים קלים, טרנספורמציה הדורשת בדרך כלל תנאים קשים עם זרזים מסורתיים.

שיפור יכולת באמצעות אינטראקציה חזקה של מתכת

בעוד אטומים בודדים הם בעלי אנרגיה גבוהה מטבעם אשר נוטים ל agglomerate, הבחירה הנכונה של תמיכה יכולה לספק עוגן חזק כי מייצב אותם בתנאים התגובה. Nitrogen-do פחמן דו-פד, למשל, יכול לקשור אטומי מתכת בודדים באמצעות תיאום מתכת-ניטרוגן כי הוא מספיק כדי לעמוד בטמפרטורות גבוהות וסביבות reactive. Ceria יכול לייצב אטומים בודדים באמצעות אינטראקציות אלקטרוניות ו- ייצוב של שעות פעולה אלה הם מלכודת של מלכודת של פעילות עם ייצוב של מלכודת פעילה.

תגובות פעילות אולטרה-גבוה

ניכוי CO2

אחת האפליקציות הנחושות ביותר של SACs היא ההפחתה אלקטרו-כימית של פחמן דו-חמצני לכימיקלים ודלקים בעלי ערך מוסף. המרת CO2 למוצרים כמו פחמן חד-חמצני, חומצה אמפית, מלנול או פחמימנים היא אסטרטגיה מבטיחה עבור שינוי האקלים המפחתת כמותן של 95%, אך היא מולקולה יציבה מאוד, והפחתה יעילה שלה היא שיכולה להפעיל את זה בתערוכת דלקים נמוכה יותר על ידי פחמן-אופטיקה, בעוד שמפתחת הגנה על פני חנק נמוך יותר על ידי אטומים סטנדרטית פחמן-חמצני.

הפיזור האטומי ב-SACs מאפשר כוונון מדויק של סביבת האתר הפעילה.על ידי שינוי מספר התיאום וזהות של אטומים שכנים, החוקרים יכולים לנקז את האנרגיה המחייבת של אמצעי התגובה.התיאוריה התפקודית של דנסליות הראו כי האנרגיה הממודעת של ה- COOH* (שלב מרכזי בדיון CO2) תואמת את מספר האטומים המתומים למרכז האלקטרו-F של סימולציה הזו מתייחסת ל- CLT2 ל-ALT2 (התחילהשלבים הבאים: CLT2) ל- CLT2.

תגובות הידרוגנס

SACs גם הפגינו ביצועים יוצאי דופן בתגובות מימן, אשר קריטי בייצור של כימיקלים בסדר, תרופות, דלקים. אתרי מתכת מבודדים ב SACs יכול להפעיל מימן ביעילות ולהעביר אטומי מימן למצע בלתי רווי עם חלקיקים גבוהים יותר סלקטיביים כדי להשיג alkynes כדי להשיג alkenes, למשל, זרז יחיד אטומים נתמך על תצוגות גרף חד גרורתיות גבוהה קרוב חנקן.

דוגמה בולטת נוספת היא המימן של nitroarenes לקווי, טרנספורמציה חשובה בתעשייה הכימית.פלטינום חד-אטומים נתמך על TiO2 הראו תדרי מחזור שהם כמה פעמים גבוה יותר מאשר ננו-חלקיקי פלטינה, תוך שמירה עלסלקטיביות מעולה עבור מוצר amino. הפעילות המוגברת מיוחסת למאפיינים האלקטרוניים הייחודיים של האטומים המבודדים, אשר מפעילים את הקבוצה ובאופן יעיל יותר מאשר חלקיקים מתאימים.

תגובה של Oxidation

תגובות Oxidation הן בסיסיות לייצור כימיקלים, ו-SACs הראו הבטחה בתהליכים חמצון סלקטיבית, כי חמצון של פחמן חד תחמוצת הפחמן - תגובה פרוליטית במחקר קטליזה - זרזי זהב חד אטומיים נתמך על מנת להמיר את תחמוצת ברזל הראו פעילות דומה או מעל זה של חלקיקים זהב לספק אתרים עבור מודעות COor מספק תמיכה יעילה יותר, בעוד שלעתים קרובות יותר עבור דלקת חמצן נמוך.

בהקשר של שיתוק סביבתי, SACs נחקרו עבור חמצון של תרכובות אורגניות תנודתיות וההסרה של תחמוצות חנקן מזרמים ממצה.יעילות אטום גבוהה וסלקטיביות טוטלי להפוך אותם אטרקטיביים עבור יישומים שבהם עלות זרז וביצועים הם קריטיים.

תגובה של Carbon-Carbon Coupling

היווצרות אג"ח פחמן-פחמן היא עמוד השדרה של סינתזות אורגניות, ו-SACs נחקרים יותר ויותר כזרזים לתגובות הפיכה.פליום חד-אטומיות על מיזמים שונים הראו פעילות סוזוקי, Heck, ו-Sanoogashirazeling Responseing, לעתים קרובות Outperforming Palogeneogenediums במונחי Reclability תוך שמירה על פעילות גבוהה.

אסטרטגיות ל- Single-Atom Catalysts

גישה לכימיה

הסינתזה של SACs יציבה דורש שליטה זהירה למנוע זיהום מתכת במהלך ההכנה ושימוש. שיטות כימיה Wet, כולל אי-סדירנציה, שילוב, ופירוק זיהום, הם הגישות הפשוטות ביותר.בשיטות אלה, מבשר מתכת מופקד על תמיכה מפתרון, ואת האופי המדוייק של אתרי מתכת מושג באמצעות שליטה מתכתית, כגון קבוצות פחמן חנקן, כגון חנקן על פני השטח.

שכבת אטומית

פיזור שכבת אטומי (ALD) מציע מסלול מבוקר מאוד לסינתזות SAC. ב ALD, substrate נחשף לסירוגין כדי למטמים מתכתיים תנודתיים ומגיבים, עם כל חשיפה לא יותר משכבה אטומית אחת בכל פעם.על ידי הגבלת בזהירות מספר מחזורי ALD ושימוש במבשרים כי הם מעדיפים באופן שלילי עם תמיכה ולא עם כל אחד החוקרים האחרים, יכול להיות מבוזר עם אלקטרון אחד עם אטומים אחד, הוא יעיל יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זה היה יעיל יותר מאשר אטומים יעיל יותר מאשר אטומים של אטומים יעיל יותר מאשר אטומים של אטומים יעיל יותר מאשר אטומים מעולה, 000, 000, 000, 000, 000 זה היה יעיל יותר מאשר אטומים מעולה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זה היה יעיל יותר מאשר אטומים של אטומים של אטומים, 000, 000

המונחים: Metal-Organic Frameworks

גישה יעילה במיוחד להכנת פולימרים מבוססי פחמן הוא הpyrolysis של מסגרות מתכת אורגניות (MOFs) או פולימרים המכילים מתכת. בשיטה זו, מבשר המכיל מתכת משולב במבנה MOFsis, ולאחר מכן הגנה על טמפרטורת ניקל גבוהה (בדרך כלל 600-1000 מעלות צלזיוס) ממיר את המרכיב האורגני לתוך חומר פחמן ⁇ בעוד האטומים ממולאיים וייצבים על ידי חומרים חנקן יחיד, אשר לעתים קרובות הם מבוזרים.

טכניקות ל-one-Atom Catalysts

שיטות הדמיה ישירות

אישור הפיזור האטומי של אטומי מתכת חיוני להקמת חומר הוא באמת SAC. Aberration תיקון קרינת שידור אלקטרוני מיקרוסקופיה (AC-STEM) הוא הטכניקה הישירה ביותר עבור ויזואליזציה של אטומי מתכת בודדים על פני השטח תמיכה.בזווית גבוהה זרם אלקטרו-שדה כהה כהה (HAF), אטומי מתכת כבדים מופיעים בהירים כנקודות בהירות נגד תמיכה קלה יותר, ומאפשרים לספירת אטומים של מערכות הגנה אישית של מוצרי מתכת או תמיכה חיצונית.

סורק microscopy (STM) מספק מידע משלים עם פתרון אטומי ואת היכולת לחקור את המבנה האלקטרוני של אטומים בודדים.STM תמונות של אטומים בודדים על תמיכה התנהגותית לחשוף את הגיאומטריה שלהם ואת צפיפות מקומית של מדינות, אשר ניתן לתואמים עם פעילות קטליטית. עם זאת, STM מוגבל לתומך התנהגותי או סמי-מוליכים למחצה ודורש תנאים אולטרה-מוליכים, אשר עלולים לא לשקף את המצב של פעילות תחת תנאי העבודה.

טכניקות ספציפיות

X-ray ספיגת ספקטרום (XAS), במיוחד X-ray ספיגת ליד מבנה חדשני (XANES) ומבנה הקליטת רנטגן (EXAFS), הכרחי לאופי סביבת התיאום המקומית, מדינת חמצון, והמבנה האלקטרוני של אטומים בודדים.ExAFS יכול לספק מידע כמותי על המספר והסוג של אטומים שכנים, מרחקי אג"ח והפרעה סביב ההפחתה של תופעות מתכת בדוגמאות לפיזור חד-אוויר.

ראמן spectroscopy ו- אינפרא אדום ספקטרוסקופיה משמשים כדי לחקור את האינטראקציה של מודעות עם אטומים בודדים, חושף את האופי של אתרים פעילים ואמצעי תגובה.עבור פחמן נתמך SACs, ראמן ספקטרוסקופיה יכול לזהות שינויים במבנה התמיכה פחמן על שילוב מתכת, בעוד spectroscopy באמצעות מולקולות בדיקה כגון CO יכול להבדיל בין אטומים בודדים וקטנים המבוססים על מבנה אבטחה משולבת של כלי ספקטרום של ספקטרום של דגימות פחמן.

אתגרים ומגבלות

המונחים: Harsh Reaction

האתגר המשמעותי ביותר העומד בפני SACs הוא יציבותם בתנאים תגובה מציאותיים.אטומים בודדים הם metastable ו נוטה diffuse ו agglomerate לתוך אשכולות או חלקיקים תחת הטמפרטורות גבוהות, לחצים, וסביבות תגובתיות אופייניות לדלקת תעשייתית. agglomeration זה מוביל לאובדן של התכונות הייחודיות הקשורות לפיזור חד-אטומי ובסופו של דבר לפירוק של תהליכים פעילים, כולל הדבקה של אתרי מתכת, כולל מוטציות חזקות, תמיכה, כולל אטומים, תמיכה אטומים, תמיכה , או אטומים, תמיכה אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים חזקים אטומים, כולל אטומים חזקים אטומים של אטומים, כולל אטומים חזקים אטומים, תמיכה אטומים, כולל אטומים חזקים אטומים של אטומים, עם אטומים, עם יציבות, עם יציבות, עם יציבות, עם אטומים, עם אטומים, עם יציבות יעילה אטומים, עם אטומים חזקים אטומים של אטומים, עם אטומים, כולל אטומים, כולל אטומים, עם זאת, תמיכה אטומים, כולל אטומים של אטומים של שימוש ברזולוציה גבוהה אטומי

סקאלה סינתזה

שיטות סינתזה רבות שעובדות היטב בקנה מידה המעבדה קשה להגיע לייצור תעשייתי.טכניקות כמו שכבת אטומית והשימוש במבשרים יקרים אינם בעלי יכולת כלכלית לייצור בקנה מידה גדול.יש צורך בשיטות חסכוניות, בעלות יעילות שיכולה לייצר SACs עם פיזור אטומי אחיד, סביבה מבוקרת, וטעינה מתכת גבוהה.

הגבלת אופי

המאפיינים SACs בתנאים אופרותנדו - כלומר, בעוד הם באופן פעיל מחלחלים תגובה - מאתגר מבחינה טכנית. טכניקות מיקרוסקופיה אלקטרון דורשות ריק גבוה ולא יכול לתפוס את המצב האמיתי של הזרז בנוכחות מגיבים ומוצרים. X-ray קליטת ספקטרום, בעוד עוצמה, מספק מידע מצטבר ולא יכול להבחין בין אטומים בודדים וקטנים מאוד בנוכחות של טכניקות התפתחותיות מרובות.

הבנה של מערכות יחסים של מבנה

למרות התקדמות משמעותית, מערכות היחסים במבנה מפורטות של מערכות יחסים ב- SACs אינן מובנות לחלוטין.תפקיד התמיכה, סביבת התיאום, והמבנה האלקטרוני בקביעת פעילות קטליטית וסלקטיביות הוא מורכב ומערכת ספציפית. Computational Modeling באמצעות תורת צפיפות פונקציונליות הוא כלי חיוני לחיזוי תצפיות ניסיוניות וחיזוי עיצובים חדשים, אך הדיוק של חישובים אלה תלוי באיכות המודלים המבניים והטיפול הני דורש גם את החיזוי המדויק בין הרציונלי של המציאות הרציונלית לבין שיטות חישובית של התחזיות.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

דוא"ל-אטומי ו- Multi-Atom Catalysts

הרחבה טבעית של SACs היא העיצוב של זרזים עם האנסמבלים מבוקרים של שני או יותר אטומי מתכת, הידוע בשם זרזי atom כפול (DACs) או זרז יחיד-קלסטרים. המערכות האלה לשמור על היתרונות של ניצול אטום גבוה תוך מתן אינטראקציות מתכת-מטאליות כי יכול לאפשר פונקציות סטריפטיות חדשות.

Machine Learning and High- Throughput Screening

מרחב העיצוב העצום של SACs - לעקוף את הבחירה של מתכת, תמיכה, סביבת תיאום ותנאים סינתזה - עושה אופטימיזציה ניסיונית על ידי ניסוי וטעויות גישות למידה לא מעשיות. Machine שיכול לחזות פעילות קטליטית ויציבות בהתבסס על סמך תיאורי מבנים יישומים הם יותר ויותר מוחלים כדי להנחות את גילוי של שיטות חישוביות חדשות.

צילום: Photocatalysis and Photoelectrocatalysis

התכונות האלקטרוניות הייחודיות של SACs להפוך אותם אטרקטיביים עבור תהליכים קטליטיים מונעים אור.אטומי המתכת הבודדים יכולים לפעול כמו מרכזי אור אור אור אור אור או כמו co-catalysts המקבלים אלקטרונים או חורים מ תמיכה למחצה מוליכים למחצה.SACs נחקרו עבור מים פוטו-קטליטיים פיצול, CO2 צמצום, וסינתזה אורגנית, עם תוצאות מבטיחות עבור אטומים יחיד, אשר מופיעים על ידי אלקטרו-קפטיים, כולל פעילות אלקטרו-אפוטית אחת, אשר ניתן למצוא את האטומים יחיד.

דרישות סביבתיות ואנרגיה

במבט קדימה, SACs סביר למצוא יישומים בטווח רחב יותר של תהליכים סביבתיים הקשורים לאנרגיה.יעילות אטום גבוהה שלהם אטרקטיבי במיוחד עבור תהליכים קטליטיים כי להסתמך על מתכות נדירות או יקרות.בנוסף לתגובות שנדונו לעיל, SACs נחקרים עבור התפתחות חמצן והפחתה בתאי דלק ואלקטרוליטים המתאימים, עבור חנקן לדלקת ריאות, עבור הפחתת חומרים ממזהמים במים, אנליטיים וספקיות עבור דרישות אופטימיזציה של חומרים כימיים ייחודיים של תאים אופטיים וספקטיקנים.

לדיון צופה קדימה כיצד SACs מופעלים על מנת להשפיע על ייצור כימי בר קיימא, להתייעץ עם זה (FLT:0article in SciencecioFLT:1).

מסקנה

זרזי גילוי חד-אטומיים מייצגים שינוי פרדיגמטי במדעי הקטליטי, המציעים שליטה שאין כמותה על מבנה האתר פעיל והרכב.היכולת למקסם את השימוש באטומי, להשיגסלקטיביות יוצאת דופן, ולאפשר מסלולי תגובה חדשים להפוך אותם לכלי רב עוצמה להתמודדות עם אתגרים בהמרות אנרגיה, סינתזתזות כימיות, והגנה סביבתית משמעותית תישאר – במיוחד מבחינת יציבות, קשקשים, הבנה בסיסית והבנה מהירה יותר של תהליכים מתקדמים אלה, תוך כדי שינוי משמעותי של טכנולוגיות.