吕学斌组Angew.：面向可控催化的中空纳米反应器驱动催化动力学

非均相催化系统具有高度复杂性和不确定性，反应物分子在纳米尺度上的催化行为通常是无序且难以预测性的，而中空纳米反应器的出现则为实现可控分子催化行为提供了潜在契机。尽管如此，中空纳米反应器内部发生的分子催化机制仍有待于充分的认识和理解。有鉴于此，吕学斌（点击查看介绍）课题组及其联合研究团队发表述评文章，首次探讨了中空纳米反应器的基本概念、中空纳米反应器驱动催化动力学的基本理论以及中空纳米反应器结构参数与动力学行为之间的构效关系，旨在实现中空纳米反应器驱动可控催化的基本理论框架发展。

图1. 非均相催化动力学的一般步骤

文章要点如下：

1、中空纳米反应器的结构特征和基本概念

纳米反应器提供了一种介观受限的微环境，该微环境能够促使化学反应在特定纳米空间范围内得以有效调节。其中，中空纳米反应器是一类重要的纳米反应器，主要包括三个基本结构特征：1）具有由壳纳米结构界定的空腔；2）具有位点灵活负载的可选位置；3）具有位点可及的分子扩散路径。研究进一步界定了其基本概念：中空纳米反应器是一种由可控壳结构界定的空腔和灵活落位的活性中心共同构成的集成性纳米机器，能够为在纳米空间范围内调控化学反应以响应特定催化目的提供介观受限微环境。

2、中空纳米反应器驱动催化动力学的基础理论

非均相催化动力学的一般步骤通常包括分子扩散过程（外部扩散、内部扩散）和表面反应过程（吸附、表面反应和脱附）。中空纳米反应器的具体结构参数能够显著影响分子的催化动力学行为，如壳的孔结构可调节分子扩散效率；空腔结构可调节分子的富集行为；活性位点与壳之间的相互作用可调节表面反应等。中空纳米反应器的结构参数调制可影响反应过渡态构型、改变反应活化能、决定催化反应路径，从而实现对反应活性和选择性的控制。

3、中空纳米反应器与动力学行为的构效关系

有鉴于中空纳米反应器结构参数对分子动力学行为的显著影响作用，文章筛选了典型案例以对中空纳米反应器与具体分子动力学行为的构效关系进行详细阐释。重点探讨了中空纳米反应器的空腔、壳体、活性位点等基本结构参数调制及其分子动力学行为影响机制。值得注意的是，由于中空纳米反应器的结构整体性，结构参数的调节还会导致动力学过程的系统性变化，而非某个具体动力学步骤中的独立性变化。

4、发展中空纳米反应器驱动催化理论的未来挑战

最后，研究还进一步地围绕1）中空纳米反应器内部催化机制的进一步解构和理解；2）催化性能提升驱动的中空纳米反应器的结构优化；3）复杂催化目的导向的中空纳米反应器的合理设计等三个方面提出了具体的未来挑战与可行建议。

上述研究成果发表于国际期刊Angewandte Chemie International Edition。文章第一作者为天津大学环境学院于志昊博士，通讯作者为吕学斌教授，联合研究团队包括天津大学纪娜教授、中山大学李晓云博士、天津城建大学张蕊副教授、中北大学乔怡娜博士、西藏大学熊健副教授、中国科学院大连化学物理研究所刘健研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Kinetics Driven by Hollow Nanoreactors: An Opportunity for Controllable Catalysis

Zhihao Yu, Na Ji, Xiaoyun Li, Rui Zhang, Yina Qiao, Jian Xiong, Jian Liu, Xuebin Lu

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213612

课题组介绍

通讯作者简介

吕学斌教授，博士毕业于天津大学化工学院，国家级青年人才、国家重点研发计划项目首席科学家、教授、博士生导师，西藏自治区化学会理事、西藏自治区工业绿色发展专家、天津市生物质燃气燃油工程技术中心副主任、中国能源学会专家委员会生物质专家组委员、天津市可再生能源学会碳中和专委会副主任委员、巴塞尔公约亚太区域中心化学品和废物环境管理智库专家。研究方向为有机废弃物能源化利用、农业废弃物催化合成平台化合物、高寒高海拔地区多源固废综合处置，研究成果多次获得天津市自然科学奖、天津市科学技术进步奖、天津市技术发明奖、西藏自治区科学技术奖等科技奖项。近年来，吕学斌教授团队在新型催化材料及其低碳分子催化转化应用方面取得了一系列研究成果，发表于《Angewandte Chemie-International Edition》、《Small》、《Applied Catalysis B：Environmental》、《Renewable & Sustainable Energy Reviews》、《Green Chemistry》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《ChemSusChem》等高水平国际期刊。

https://www.x-mol.com/university/faculty/64403 

第一作者简介

于志昊博士，博士毕业于天津大学环境科学与工程学院，导师为吕学斌教授。研究方向为多功能纳米反应器的理性设计与微环境调控及其C4-C6碳基分子催化精炼。曾获研究生国家奖学金、国家留学基金委公派留学奖学金、宝钢教学基金会优秀学生奖学金等奖项荣誉。目前累计发表SCI期刊论文32篇，其中封面文章6篇、热点文章1篇。

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