近日，我校化工学院催化反应工程团队因在多相催化选择性调控的研究领域取得的系列重要进展，被美国化学会Accounts of Chemical Research杂志邀请在线发表题为 “Configuration Matching Strategy to Control Selectivity in Heterogeneous Catalysis”的综述论文，系统总结了团队近年来创新提出的基于吸附构型匹配的选择性调控策略及其指导多相催化剂创制方面的研究进展。
多相催化对于化学工业意义重大，广泛应用于能源转化、精细化工、环境保护等领域，其核心目标是在高效转化反应物的同时，最大限度提高目标产物选择性、减少副产物生成。高选择性催化技术能显著降低能耗、减少废弃物排放，不仅直接关系到生产效率与成本控制，更是实现绿色可持续化工过程的关键。然而，由于催化反应中存在多条竞争反应路径，如何精准调控催化选择性实现定向转化长期以来是催化领域的难题与挑战。研究团队经过多年系统研究发现，反应物在催化剂表面的吸附构型是决定反应路径的核心。基于此，团队创新性地提出“吸附构型匹配”设计理念：通过精准调控催化剂活性位点的结构与电子特性，使其与底物分子的结构特征形成定向适配，从而优先稳定目标反应所需的吸附模式，同时抑制竞争性吸附与副反应路径。
针对乙炔等小分子不饱和化合物，团队通过位点隔离策略拉长催化剂表面金属原子间的距离，破坏易导致过度加氢的多 σ键吸附构型，强制反应物以π键方式吸附，实现了乙炔向乙烯的高选择性转化，有效抑制了乙烷及C4副产物生成。对于甘油、草酸二甲酯等多官能团分子，利用金属-氧化物界面的亲氧特性，实现对底物中特定官能团的选择性锚定与活化，同时协同活化氢气分子，在甘油转化为二羟基丙酮、草酸二甲酯加氢制备乙醇酸甲酯等反应中成功实现了多官能团分子的定向转化。面对芳香族化合物与环状分子，借助纳米孔限域效应与多孔包覆层的“几何门控”作用，调控反应物分子的吸附取向，迫使原本倾向于平躺吸附的分子采取直立吸附模式，同时精准调控氢气扩散速率，从而实现了选择性加氢脱氧或部分加氢反应，为燃料油清洁化、芳香族化合物定向转化提供了新策略。
吸附构型匹配策略的核心在于建立了“催化剂活性位点特性-反应物吸附构型-反应选择性”的精准关联，实现了从“经验设计”向“精准调控”的跨越。该团队通过系列研究证实，基于这一原则设计的催化剂在多种关键催化反应中均展现出优异的选择性与稳定性，相关研究成果为多相催化选择性调控提供了全新的设计思路。团队同时指出，这一调控策略并非万能，需基于反应体系进行针对性设计。例如，金属-氧化物界面上过强或过密的亲氧位点可能导致多官能团底物的多个基团被同时激活，反而降低反应选择性；孔限域策略需精准调控孔径大小，在保证吸附取向选择性的同时兼顾传质效率。未来，团队将进一步基于吸附构型匹配策略，针对更多反应过程开发高效能催化剂，推动催化技术在可持续能源转化、废弃物资源化利用等领域的应用，助力化学与能源工业的绿色低碳转型。
我校曹约强特聘研究员为论文的第一作者，段学志教授为通讯作者。该研究得到了袁渭康院士、周兴贵教授与De Chen院士的悉心指导。此外，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教委/科委重大/重点项目等的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.5c00671
