非均相催化剂是酶

瑞士阿尔卑斯山没有隧道怎么办？任何试图穿越它们的人都必须下山并绕过它们。隧道比爬山节省更多的精力和时间。这类似于催化剂的工作原理：它们通过减少达到所需物理状态所需的能量来加速化学反应。在工业生产方法中，通常涉及在液体或气体反应混合物中使用固体催化剂的多相催化已经发现了许多潜在的应用。在不同的相中，多相催化剂可以容易地从反应混合物中分离出来。这样，催化剂可以有效地回收和循环使用，非常环保。此外，即使在苛刻的反应条件下，它们也表现出非常稳定的活性。

基础科学研究所(IBS)纳米粒子研究中心(由Taeghwan HYEON主任领导)的研究人员与首尔国立大学的Ki Tae NAM教授和KAIST的Hyungjun KIM教授合作，首次演示了类酶多相催化。他们开发了一种高活性的多相二氧化钛光催化剂，其中含有许多单个铜原子。他们将这种催化剂用于光催化制氢，发现它与最活跃和最昂贵的Pt-TiO2催化剂一样活跃。

研究人员致力于模拟催化剂结构，类似于最有效和最活跃的催化剂，即生物酶。酶包含催化活性金属原子和周围的蛋白质，它们非常紧密地工作，以保持它们的反馈来回传输。由于这种协同的内部通信，酶可以快速调整其结构，以最好地适应所需的反应(通常称为诱导拟合模型)。在适应过程中，酶间歇地恢复其原始形状并转向重整。Hyeon教授说：“我们首次发现，即使在非均相催化剂中，也会发生类似酶的可逆协同活化过程。这是一个前所未有的平台，它结合了多相催化剂和生物酶的优点。

生物酶一直被认为是开发人工催化剂的核心模型。它们已被成功地用于设计各种反应的均相催化剂。然而，由于缺乏对原子水平的非均相催化剂的了解，没有关于具有这些类酶特性的工业上重要的非均相催化剂的报道。这项新的研究表明，非均相催化剂可以像酶一样发挥作用，并证实了原子催化剂和相邻环境之间的协同作用对整体材料性质和催化活性产生重大影响的基本原理。

结合理论模拟和纳米材料合成技术，研究人员合成了一种类似酶的多相催化剂。他们用单原子铜覆盖一个圆形的TiO 2衬底。他们将二氧化钛和铜原子包裹在一起。随后的烘烤成功地稳定了仅在钛位置的单个铜原子。在这项研究中，设计位点特异性单原子催化剂非常重要，因为这种单原子结构直接模拟了酶的结构(由单原子金属离子和周围的蛋白质组成)。

有趣的是，合成的位点特异性单原子Cu/TiO2催化剂经历了独特的光活化过程。通过吸收光线，二氧化钛激发电子。受激电子通过简单的氧化态变化转移到单个铜原子上。电子转移改变了周围的TiO2结构(就像酶的诱导拟合模型一样)。当电子从金属原子转移回TiO2时，活性状态然后反转到初始静态。事实上，这种相互作用和可逆机制的证实是白光Cu/TiO2 _ 2在光照下迅速变黑，当用空气吹扫时又恢复到原来的白色。由于这种酶的特性，单原子Cu/TiO2催化剂可以将超过40%的光能转化为H2，具有极高的催化活性。它的活性不亚于最活跃和最昂贵的Pt-TiO2光催化剂。(众所周知，氢是最有效、最理想的燃料，因为它产生的唯一副产品是水)

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