近日，新加坡国立大学罗健平（LOH Kian Ping）团队的AMR述评文章“Engineering Single Atom Catalysts for Flow Production: From Catalyst Design to Reactor Understandings”在线发表。文章总结了单原子催化剂在液相有机反应合成高价值化学品中的应用，分别从催化剂、有机反应和反应器工程三个层面论述了该领域亟需解决的复杂反应活性不足、催化剂易流失等问题，同时展望了后续工业放大所面临的成本、技术挑战和潜在解决方案。
关键词：单原子催化剂、流动合成、动态催化历程、反应器设计、药物合成、原位表征
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文章内容简介
对多相催化体系，如何在复杂液相有机反应中实现可与均相、酶催化反应相匹配的超高活性和选择性是一个长久挑战。具有精确配位环境的单原子催化剂能够实现类似均相催化的反应路径，但仍存在着活性金属流失、聚集等严重失活问题。此外，单原子催化在实际应用中还面临着诸如缺乏标准化制备流程、实验室批次反应器的低产能等诸多挑战。
本文从催化剂设计、反应器工程等层面总结了作者团队在单原子催化流动合成高值化学品的近期进展。在催化剂和有机反应层面，作者论述了调控单原子催化反应活性和化学选择性的内在机理，并以氯尼达明、特敏福、吲哚美辛等案例详细论述了如何通过串联反应、多组分反应等形式实现单原子催化在药物合成和后修饰中的应用。为解决其在涉及两种或多种底物的复杂有机反应中活性不足的问题，作者提出了利用超高负载量的单原子催化剂来实现双位点协同催化，并通过原位X射线吸收谱等技术探究了反应过程中催化剂的动态结构演变以及与传统低载量单原子催化剂的内在区别。这为设计更稳定、高效的单原子催化剂提供了理论指导，并可通过结合催化剂成型技术进一步提升催化剂的抗流失能力。
在反应器工程层面，作者团队强调了流动合成技术在扩大产能和优化实验室到工业生产的技术转移方面的重要性。其中，电堆型流式反应器可实现单原子催化的精细化学品批量生产，如通过仅含3.2毫克铂金属的铂单原子模块来实现多取代苯胺的超高选择性连续生产，其实验室产能可达5.8克/小时。反应器内部的多尺度物理变化，如传质、传热过程、催化剂孔隙率和迂曲度、气-液-固三相界面行为对反应器的整体性能是至关重要的。在许多情况下，反应器性能不仅受催化剂的本征活性控制，更受限于器件内部的扩散动力学。这需要在反应器层面进行过程优化和工程设计以进一步提高产能。
最后，作者团队还论述该领域在实际生产中所需要克服的技术障碍，并对单原子催化剂的标准化生产流程、典型单原子催化剂的成本核算、高通量筛选平台以及新型光、电催化流动反应器设计这四个环节进行了展望。
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AMR：请和大家分享一下这个领域
可能会出现的机会？
作者团队：
不对称催化（手性催化）是均相/酶催化显著优于多相催化的细分领域。尽管单原子催化剂具有与均相催化剂类似的结构特征，但其目前仍未能实现高效的手性催化。这主要是由于单原子催化剂表面同时存在着多种极为类似的结构单元，进而在催化过程中导致消旋化。这需要合成具有完全一致（手性）结构的单原子催化剂，并在催化反应过程中维持其结构一致性。这可能需要结合单分子技术来研究催化剂表面结构（如取向、台阶）对不对称反应带来的影响，并结合高通量计算技术来预测不同结构单元的催化活性和选择性。
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AMR：您认为该领域当前最值得关注
的热点是什么？
作者团队：
传统单原子催化剂难以实现涉及到多种反应底物的复杂有机转化。超高负载量单原子通过引入双/多金属位点协同可望解决这一问题，在不显著改变催化结构单元的前提下，促进中间产物的表面扩散与交叉偶联，从而大幅提升产物的收率，并有可能实现类似于均相催化的远程活化。应关注以下问题：1）如何通过引入同种/异种金属原子对，实现工业上较有价值的复杂有机反应；2）应通过原位检测手段探究原子-原子间距对协同机理的影响，特别是异种原子对之间是否存在着类似均相催化剂的（双位点）氧化加成-还原消除历程；3）提升单原子负载量对活性金属流失是否存在不良影响，是否存在着载量的临界阈值；4）如何在多种金属/配位环境中精确控制原子对的距离和分布。
作者团队简介
香港中文大学（深圳）理工学院
助理教授 陈仲欣
陈仲欣，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授。2011年本科、2014年硕士毕业于复旦大学高分子系，2018年博士毕业于新加坡国立大学并留组从事博士后工作，师从亚洲材料科学院院士罗健平（Loh Kian Ping）教授。2022年底加入香港中文大学（深圳）担任助理教授。共发表论文80余篇，其中近五年内以通讯作者、第一作者或共同第一作者在Nat. Commun.（4 篇）、Adv. Mater.（7篇）、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.等期刊发表论文27篇，并提交6项国际、美国专利申请。团队的主要研究领域为单原子催化剂的结构设计及其在能源转化、高值化学品合成中的应用。
新加坡国立大学化学系
博士后 刘佳
刘佳博士目前是新加坡国立大学罗健平教授课题组的博士后研究员，2020年于华中科技大学获得博士学位。他的主要研究领域为二氧化碳/一氧化碳的电化学还原制燃料和大宗化学品。
新加坡国立大学化学系
教授 罗健平（Loh Kian Ping）
罗健平教授是亚洲材料科学院院士、新加坡国立大学化学系教授、新加坡最高科学奖-总统科学奖获得者暨石墨烯研究中心领衔人。1994年获得新加坡国立大学学士学位，1996年获得牛津大学化学系博士学位，1997年受聘于日本国立材料科学研究所从事独立研究，1998年受聘为新加坡国立大学化学系助理教授，2012年晋升为正教授。曾任新加坡国立大学化学系系主任、新加坡国立大学教务长讲座教授，现为先进二维材料中心主任及深圳大学-新加坡国立大学光电科技协同创新中心外方主任。罗健平教授作为负责人承担了新加坡国家研究基金支持的CPF, NRF等重大科研项目，并已在Nature, Science正刊及其系列子刊以通讯作者发表论文40余篇，在JACS, Advanced Materials等其他顶级杂志发表论文多达400余篇，引用超过70,000次，连续多次入选材料、物理、化学三大领域的全球高被引学者。团队主要研究领域为单原子催化剂、共轭有机框架、石墨烯等二维材料、有机-无机杂化钙钛矿和表面科学。
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Engineering Single Atom Catalysts for Flow Production: From Catalyst Design to Reactor Understandings
Zhongxin Chen, Jia Liu, and Kian Ping Loh*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00183
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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