為大家介紹由西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)-科學(xué)研究高級委員會的Gonzalo Prieto發(fā)表的關(guān)于固體單原子催化劑在串聯(lián)催化中的展望、機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在這篇概念文章中，作者首先主要介紹了將單原子固體催化劑整合到串聯(lián)過程中的不同方式，并結(jié)合近期科學(xué)文獻(xiàn)中的精選示例進(jìn)行了展示。后半部分文章的重點(diǎn)放在這些挑戰(zhàn)上，不僅要實(shí)現(xiàn)基于單原子催化(SAC)的成功串聯(lián)過程，還要明確證明轉(zhuǎn)換的串聯(lián)本質(zhì)。此外，作者還討論了一些誤解，認(rèn)為讀者和作者朋友們應(yīng)該仔細(xì)考慮并正確對待這些誤解，以確保這個新興的科學(xué)子領(lǐng)域以最嚴(yán)格的方式發(fā)展，并充分發(fā)揮其潛力。
過程強(qiáng)化被認(rèn)為是減少碳足跡和提高現(xiàn)有化學(xué)過程和尚未開發(fā)的化學(xué)過程的可持續(xù)性的重要墊腳石。集約化包含反應(yīng)和材料工程、工藝設(shè)計和能源管理的概念，共同致力于提高安全性和效率，并減少化學(xué)過程的安裝規(guī)模和環(huán)境影響。一鍋法催化可以發(fā)揮核心作用，并且通過以下方式實(shí)現(xiàn)工藝強(qiáng)化：(1) 取代用于分離中間產(chǎn)物的中間后處理單一操作，避免能源和成本密集型分離；(2) 提高整個轉(zhuǎn)化的選擇性和安全性，如果在第一個反應(yīng)步驟中產(chǎn)生非常活潑或不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，可以在后續(xù)反應(yīng)中立即處理，減少它們在反應(yīng)介質(zhì)中的停留時間并降低發(fā)生反應(yīng)的可能性 不需要的副反應(yīng)或分解；(3) 通過驅(qū)動可逆反應(yīng)完成來克服熱力學(xué)平衡對全局產(chǎn)率的限制，例如通過反應(yīng)產(chǎn)物在隨后的不可逆催化步驟中的原位參與。 串聯(lián)催化作為一鍋轉(zhuǎn)化的重要組成部分，近年來，該術(shù)語的系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，指的是不同活性中心合作實(shí)現(xiàn)某種轉(zhuǎn)化的各種催化轉(zhuǎn)化。然而，重新審視其在溶液中分子催化劑的均相催化領(lǐng)域的起源，串聯(lián)，來自拉丁語“at length”（一個接一個）被創(chuàng)造來指代單鍋反應(yīng)的特定子類，其中單一催化劑（自動 -串聯(lián)），或者最常見的是，不同的催化劑（并發(fā)串聯(lián)催化）引導(dǎo)兩個（或更多）機(jī)械解耦反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)順序轉(zhuǎn)化。盡管各個反應(yīng)在微觀尺度上依次發(fā)生，然而，從宏觀的角度來看，它們是同時發(fā)生的，并且所有涉及的催化劑從反應(yīng)開始就存在于反應(yīng)介質(zhì)中。 圖1：關(guān)于串聯(lián)催化、單原子催化和用于串聯(lián)催化的單原子催化劑的科學(xué)出版物數(shù)量的年度變化。圖中數(shù)據(jù)來源于從 Scopus 中搜索詞組合搜索檢索到的統(tǒng)計。 因此，串聯(lián)催化作為強(qiáng)化現(xiàn)有和未來化學(xué)過程的主要工具脫穎而出。該概念最初是在均相催化領(lǐng)域提出的，它依賴于兩種（或多種）催化劑的單鍋集成，對機(jī)械解耦反應(yīng)表現(xiàn)出高度特異性，同時在一組操作條件下可操作和兼容。在SAC中穩(wěn)定在固體載體上的孤立金屬原子具有調(diào)和分子催化劑中單核位點(diǎn)的高反應(yīng)特異性與無機(jī)基質(zhì)上固有的催化劑區(qū)室化的潛力?？梢岳斫獾氖牵琒AC 已開始被視為串聯(lián)催化的平臺。最近文獻(xiàn)報導(dǎo)了基于 SAC 的串聯(lián)（電）催化過程，雖然這為該研究子領(lǐng)域的擴(kuò)展設(shè)定了良好的前景，但也面臨著挑戰(zhàn)，特別是在驗(yàn)證過程的串聯(lián)性質(zhì)方面。 圖2：單原子催化劑之間串聯(lián)集成的類比示意圖a) 在膠束中分隔的兩種分子有機(jī)金屬催化劑，和 b) 通過在不同氧化物載體材料上的穩(wěn)定性分隔的兩種單原子催化劑。 整體來說，串聯(lián)催化的起源與分隔分子催化劑在液體反應(yīng)介質(zhì)中的應(yīng)用密切相關(guān)。圖 2a 說明了兩種有機(jī)金屬催化劑封裝在膠束隔室中的情況。如圖 2b 所示，兩個 SAC 的集成提供了概念上相似的非接觸固體基質(zhì)中兩種不同單核金屬催化劑的分隔，使它們能夠在相同的反應(yīng)介質(zhì)中合作，同時防止直接的催化劑間相互作用。 單原子催化劑的新型串聯(lián)催化過程也許是一個證實(shí)該過程的串聯(lián)性質(zhì)的最佳途徑之一，而證實(shí)這串聯(lián)反應(yīng)假設(shè)的的首要條件是確定關(guān)鍵的中間產(chǎn)物，并仔細(xì)評估每種催化劑對起始反應(yīng)物和中間產(chǎn)物的性能。然而，這項(xiàng)工作需要能夠分別分離和測試兩種催化劑中的每一種——這在反應(yīng)過程中可能特別具有挑戰(zhàn)性，例如在共同的載體氧化物上使用兩種類型的單原子催化劑，或所謂的單原子合金中的連續(xù)金屬結(jié)構(gòu)。另外就是需要另一個多功能平臺，可將兩種不同“客體”金屬的單個金屬原子隔離在單個 “主體”金屬基體。 作者認(rèn)為單原子催化的串聯(lián)反應(yīng)充滿了未知和挑戰(zhàn)，但也同時具有良好的發(fā)展前景。并表示，通過不斷地調(diào)整、表征和利用原子分散在無機(jī)固體上的金屬，并利用了單原子催化劑的非常規(guī)特征科學(xué)家們有望開發(fā)新的電、光和熱驅(qū)動串聯(lián)轉(zhuǎn)化過程。
