近日，我校威廉希尔足球官网刘文刚副教授团队在单原子催化领域取得系列重要进展，通过将催化活性位点的精准设计与疏水性反应微环境的巧妙调控相结合，成功解决了生物质转化和能源化学品合成中的关键科学难题。相关成果发表于化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society(JACS美国化学会志)和CCS Chemistry(中国化学会旗舰期刊)。
第一项研究成果以“Asymmetric Cobalt Single-Atom Catalysts with Engineered Hydrophobic Microenvironment: A Reaction-Transport Coupled Strategy for Efficient Methyl Oleate Epoxidation”为题发表于JACS。该研究针对可再生植物油（如大豆油、菜籽油等）催化转化为高附加值化学品过程中，催化剂活性低、选择性差及传质受限等瓶颈问题，提出了一种“反应-传递耦合”的新策略。团队创新性地设计并合成了一种具有非对称Co-N2-O2配位结构的单原子催化剂。理论计算与实验研究表明，与传统的对称Co-N4位点相比，这种非对称结构有效调控了中心Co原子的电子态，使其d带中心显著上移，从而极大地增强了催化剂对O2分子的本征活化能力。在此基础上，研究团队通过烷基酸酐对催化剂表面进行功能化修饰，构建了疏水性反应微环境。该疏水界面不仅能有效富集亲油性的植物油底物分子，还能形成“富氧表面”，显著提高活性位点局部的O2浓度，从而克服了黏性反应体系中长期存在的传质瓶颈。得益于“反应-传递耦合”的协同增效机制，该催化剂在温和条件下（常压O2）催化油酸甲酯环氧化反应的转换频率（TOF）高达1356 h⁻1，选择性大于99%，远超目前已报道的大多数多相催化体系，为生物质资源的高效、绿色转化提供了新思路。全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c09407
另一项重要成果以“Hydrophobic Zn Single-Atom Catalyst for Efficient Photosynthesis of Hydrogen Peroxide”为题发表于CCS Chemistry。该工作聚焦于绿色氧化剂过氧化氢（H2O2）的人工光合成领域，针对传统半导体光催化剂存在产物H2O2易在催化剂表面发生二次分解导致选择性差的难题，提出了一种基于传质强化的“捕获-释放”（capture-release）催化策略。
团队通过简单的硅烷化方法，成功在Zn-N4单原子光催化剂表面构建了疏水微环境，形成了独特的“气（O2）-液（H2O2）-固（催化剂）”三相反应界面。分子动力学模拟和实验研究表明，这种疏水界面能够通过更强的范德华力有效“捕获”水相中的疏水性O2反应物，同时由于其与产物H2O2分子间存在较弱的静电吸引力，能够促使亲水性的H2O2产物快速“释放”并脱离催化剂表面。这一“捕获-释放”过程不仅强化了反应动力学，还极大抑制了H2O2的分解，使其H2O2生成速率高达1521.6 µM·h⁻1，是亲水性催化剂的2.3倍。全文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.024.202404694
上述两项工作均由我校硕士研究生冯慧玲和于博宇等人完成，青岛科技大学为论文的第一通讯单位，刘文刚副教授、我校环境学院管雨副教授及中科院大连化物所乔波涛研究员、西北工业大学任煜京副教授为论文的共同通讯作者。刘文刚副教授团队围绕“单原子催化”研究领域，系统地展示了疏水微环境工程作为一种普适性策略，在解决多相催化中传质限制问题、提升催化性能方面的巨大潜力，为高性能催化剂的理性设计提供了重要的理论指导和实验依据。
研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省优秀青年基金、泰山学者工程专项经费等项目的资助。
