执行摘要
- 催化剂通过降低活化能来加速化学反应，且自身不会被消耗。数千年来，催化剂一直是人类活动的基础，也是生产从化肥、燃料到救命药物等一切产品的基石。
- 随着可持续化学（或称“绿色化学”）的发展，催化作用已成为最大限度降低能耗、采用环境友好型原料以及管理材料生命周期的关键工具。
- 铂和钯等贵金属的高成本、稀缺性以及环境负担，正促使研究人员转向铁、钴、镍等储量丰富且毒性较低的非贵金属。然而，这些材料在反应活性、选择性和耐久性方面仍面临挑战。
- 对 CAS Content Collection™ 的分析显示，2012 年至 2022 年间，非贵金属催化研究呈上升趋势，涵盖了电催化剂、光催化剂、均相催化剂和生物催化剂四大主要子领域。
- 在企业和政府对可持续发展承诺日益增长的推动下，非贵金属催化剂在有机、无机和生物基领域展现出广阔的前景。
什么是催化作用，催化剂的作用是什么？
从 烘焙面包 到 造纸 ，人类在不知不觉中利用催化作用已有数千年历史。事实上，您日常生活中的几乎所有产品都是通过催化过程生产出来的。催化剂是能够 促进化学反应 的物质，它们通过降低反应所需的活化能来提高反应速率，且在过程中不会被消耗或永久改变。其独特的性质使其在从燃料、农药到救命药物开发等无数至关重要的 现实应用 中不可或缺。
例如，最著名的催化反应之一“哈伯-博施法”（Haber-Bosch process）实现了工业化生产氨，用于化肥和农业。使用催化剂极大地降低了成本并加速了氨的生产。时至今日，哈伯-博施法仍是生产氨的主要方法。
另一个例子是汽车催化转化器，它利用铂、钯或铑将碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物等有毒化合物的排放量减少了 90%。
催化作用在可持续化学中的角色
尽管可持续发展听起来像是一个近期的流行词，但自 1987 年联合国发布《我们共同的未来》报告以来，可持续的环境实践就已明确列入议程。这份开创性的报告为当今普遍理解的可持续发展制定了指导原则，将其定义为“既能满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力的发展”。这一定义概括了将可持续性融入所有制造产品的重要性。
对可持续性的日益重视引发了向 可持续化学或“绿色化学” 的变革性运动，彻底改变了我们设计产品和工艺的方式。这种创新方法旨在提高化学生产中自然资源的利用效率。为实现这一目标，人们正在追求 三个关键途径 ：最大限度地降低能耗、采用环境友好型化学品以及有效管理材料生命周期。通过这些方法，可持续化学正在为更绿色、资源利用率更高的未来铺平道路。
催化剂在追求可持续实践的过程中发挥着关键作用，为实现目标提供了宝贵的工具。它们助力了可生物降解塑料的创造，减少了我们对有害材料的依赖。此外，催化剂在燃料和化肥生产中也起着重要作用，优化了效率并最大限度地减少了浪费。利用催化作用的力量，使我们在拥抱可持续发展这一指导原则的同时，能够在各个领域取得卓越成就。
随着对催化剂需求的激增，人们越来越呼吁开发环境友好型产品，以解决可持续能源生产、减少工业排放和应对气候变化等问题。利用 CAS Content Collection™ 的数据，我们将探讨可持续催化剂研究的当前趋势，并重点介绍该领域的关键进展。
让催化剂更具可持续性
铂、钯和铱等贵金属因其高稳定性和耐高温等理想的催化性能而被广泛应用。它们还被用于促进多种化学反应，包括薗头偶联反应、铃木-宫浦偶联反应以及赫克反应。
然而，贵金属的高成本和有限的供应量限制了其应用价值。这些贵金属主要从大量低品位矿石中提取，即使是提取少量金属也需要进行大规模的开采工作。这一提取过程不仅需要消耗大量能源，还可能对环境造成潜在危害。因此，在催化应用中使用贵金属时，必须仔细权衡其对环境的影响及可持续性。
贵金属带来的经济和环境成本限制，加上全球对催化剂需求的日益增长，促使研究人员探索替代方案，特别是钛、铁、钴和镍等非贵金属过渡金属。与贵金属相比，这些金属具有多重优势。首先，它们储量丰富，可确保催化应用的可持续供应。此外，非贵金属过渡金属更具成本效益，是经济上可行的选择。而且，它们的毒性较低，减少了生产和应用中的潜在危害。重要的是，这些金属对环境无害，可最大限度地减少对生态的不利影响。
尽管非贵金属提供了一种有前景的替代方案，但必须承认它们也面临着自身的挑战。非贵金属通常比贵金属更具活性；这种活性可能导致催化剂降解（降低其耐久性）以及催化选择性降低（导致副产物产生，从而产生废物并降低工艺效率）。此外，非贵金属的表征可能既复杂又严苛（表 1）。
尽管如此，开发基于非贵金属的可持续催化剂正日益受到重视。CAS 内容合集（CAS Content Collection）的数据显示，2012 年至 2022 年间，关于非贵金属催化剂/催化作用的出版物数量大幅增加（图 1）。
催化技术与进展
在过去的几十年里，人们开发了一系列专门的催化剂，用于重要的实际应用。这些催化剂大致可分为四个子类别：电催化剂、光催化剂、均相催化剂和生物催化剂（或酶）。
来自 CAS 内容合集的数据表明，在利用非贵金属催化剂的可持续化学领域，电催化剂相关的出版物占据主导地位（图 2 和图 3）。电催化剂以电极或涂覆在电极表面的催化材料形式参与电化学反应。传统上，铂在电催化中被广泛使用。然而，其供应有限且成本高昂，促使研究人员探索替代品。一个值得注意的例子是使用钴原子修饰的氮掺杂石墨烯，它已被证明是一种高效且耐用的水制氢催化剂。此类方法代表了向低成本能源生产催化剂迈出的重要一步。
光催化是一种半导体材料吸收光能并产生电子-空穴对，进而驱动还原和氧化反应的过程。它对于解决能源和环境问题至关重要，例如分别用于水分解制氢和污染物分解（图 4）。然而，一个主要的研究挑战是寻找能够仅利用太阳能进行水分解的非贵金属半导体材料。该领域正在探索多种策略，包括使用助催化剂或多组分纳米集成。
铂和钯等贵金属因其高活性、稳定性和多功能性，在均相催化中也占据主导地位。然而，为均相催化剂寻找贵金属替代品对研究人员来说是一个复杂且持续的挑战。铃木偶联反应是这些催化剂促进的关键反应之一。众所周知，一些作者声称实现了无钯铃木偶联反应的报告，后来被证明是由低含量的钯污染物催化的。不过，使用碘、曙红和四丁基碘化铵等自由基反应引发剂在该领域展现出了前景（图 5）。
生物催化剂（即基于酶的催化剂）是绿色和可持续催化剂的杰出代表。它们由易于获取的可再生原料生产，具有有机、可生物降解、无毒的特点，且能在温和的反应条件下发挥作用。生物催化剂的一个关键潜在应用是通过脂肪酸与甲醇的酯交换反应，从植物油和脂肪中可持续地生产生物燃料。该反应产生生物柴油（脂肪酸甲酯）和甘油作为副产物（图 6）。生物催化剂与金属催化剂的结合也是实现高价值分子生产可持续性的一种新兴方法。
变革的催化剂
在联合国气候变化大会（COP27）和联合国生物多样性大会（COP15）之后，企业承诺采取更可持续的做法的趋势显著增强。由于催化剂在化学工业中仍然不可或缺，人们越来越有动力去探索能够提高关键产品制造效率和可持续性的新型催化概念。认识到这一需求，美国能源部已做出专门承诺，支持基础催化剂研究。
过去十年间，可持续催化剂研究取得的重大进展表明，对环境友好型解决方案的探索已全面展开。尽管该市场的全部潜力尚未完全释放，但我们预计，非贵金属催化剂在涵盖有机、无机及生物基物质的各个领域中都将拥有广阔的前景。
如需深入了解可持续催化的未来，欢迎查阅我们近期在 ChemRxV 上发表的论文。
