Executive Summary
- Catalysts, substances that accelerate chemical reactions by lowering activation energy without being consumed, have underpinned human activity for thousands of years and are foundational to producing everything from fertilizers and fuels to life-saving pharmaceuticals.
- As sustainable or "green" chemistry gains momentum, catalysis has emerged as a pivotal tool for minimizing energy use, adopting environmentally benign inputs, and managing material life cycles.
- The high cost, scarcity, and environmental burden of noble metals such as platinum and palladium are driving researchers toward more abundant, lower-toxicity non-noble transition metals like iron, cobalt, and nickel. However, these materials introduce challenges around reactivity, selectivity, and durability.
- Analysis of the CAS Content Collection™ shows a rise in non-noble metal catalysis research between 2012 and 2022, spanning four principal sub-fields: electrocatalysts, photocatalysts, homogeneous catalysts, and biocatalysts.
- Backed by growing corporate and governmental commitments to sustainability, the field points toward a promising future for non-noble, metal-based catalysts across organic, inorganic, and bio-based domains.
催化剂和催化的变革作用
从面包烘焙到造纸，数千年来人类一直在不知不觉中利用催化的力量。 事实上，我们日常生活中的几乎所有东西都是通过催化过程产生而来。 催化剂是指通过降低反应发生所需的活化能来促进化学反应的物质。 催化剂提高了反应速率，而不会在这个过程中被消耗或永久改变。 从燃料和杀虫剂到救命药物的开发，催化剂的独特特性使其在无数至关重要的现实世界应用中不可或缺。
例如，最著名的催化反应之一“哈伯博施法” (Haber-Bosch process)，用于在工业规模上生产肥料和农业用氨。 使用催化剂大大降低了成本，加快了氨的生产。 直到现在，哈伯博施法仍是氨的主要生产方法。
另一个例子是汽车的催化转换器，该设备使用铂、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减少了 90%。
催化在可持续化学中的作用
虽然可持续发展听起来像是最近的流行语，但自 1987 年联合国发布《我们共同的未来》(Our Common Future) 以来，可持续的环境实践已被坚定地提上议程。 这份开创性报告列出了当今人们普遍理解的可持续发展指导原则，将这一概念定义为“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”。这一定义概括了在所有制造产品中实施可持续性的重要性。
人们对可持续性日益重视，由此引发了一场向可持续化学或“绿色”化学的变革运动，彻底改变了产品和工艺的设计方式。 这一创新办法旨在提高化学生产中自然资源的利用效率。 实现这一目标的三个关键途径是：最大限度减少能源消耗、采用环境友好型化学品和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环保、更节约资源的未来铺平道路。
催化剂在我们追求可持续实践方面发挥着关键作用，为实现目标提供了宝贵的工具。 它们促成了生物可降解塑料的诞生，减少了人们对有害材料的依赖。 此外，在燃料和化肥生产、优化效率以及最大限度减少浪费方面，催化剂也发挥着重要作用。 利用催化的力量，我们能够在各个领域取得非凡成就，同时将可持续发展作为指导原则。
随着催化剂需求的激增，人们对环保产品的呼声也越来越高，希望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。 利用来自 CAS 内容合集™的数据，我们有望探索可持续催化剂研究的当前研究趋势，重点强调该领域的关键进展。
提高催化剂的可持续性
由于拥有高稳定性和耐温性等理想的催化特性，铂、钯和铱等贵金属得到了广泛的使用。 此外，此类贵金属还可用于促进一系列广泛的化学反应，包括 Sonogashira 偶联反应、Suzuki-Miyaura 偶联反应和 Heck 反应。
然而，贵金属的实用性受到其高昂成本和有限供应的阻碍。 这些贵金属主要提取自大量低品位矿石，即使是少量矿石也需要大量的开采工作。 这种提取过程不仅需要大量的能源投入，还会造成潜在环境危害。 因此，在催化应用中使用贵金属必须仔细权衡这种做法对环境的影响和可持续性。
贵金属的经济和环境成本所带来的限制，加上全球对催化剂的需求不断增长，促使研究人员探索替代方案，特别是钛、铁、钴和镍等非贵重过渡金属。 与贵金属相比，非贵重过渡金属兼具多个优点。 首先，这类金属储量更充足，可确保催化应用的可持续供应。 此外，非贵重过渡金属更具成本效益，使其成为经济上可行的选择。 再者，此类金属毒性较低，可减少生产和应用中的潜在危害。 重要的是，这些金属对环境无害，最大限度减少了对生态的不利影响。
尽管非贵金属是一种颇具前景的替代品，但它们并非没有自己所面临的挑战，承认这一点具有重要意义。 非贵金属通常比贵金属更具反应性；这种反应性可能会导致催化剂降解（降低其耐用性）和催化活性选择性降低（导致产生副产品、废物并降低工艺效率）。 此外，非贵金属的表征可能会非常复杂苛刻（表 1）。
尽管如此，非贵金属可持续催化剂的开发正逐渐得到认可。 来自 CAS 内容合集的洞察显示，2012 至 2022 年间，非贵金属催化剂/催化的出版物大幅增加（图 1）。
催化技术与进展
在过去数十年中，人们针对现实世界中的重要应用开发了一系列专用催化剂。 此类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）。
CAS 内容合集的数据显示，在使用非贵金属催化剂的可持续化学领域，与电催化剂相关的出版物占主导地位（图 2 和图 3）。 电催化剂可作为电极或电极表面的催化材料参与电化学反应。 传统上，铂一直在电催化领域得到广泛应用。 然而，铂的有限供应和高昂成本促使研究人员探索替代品。 其中值得注意的一项示例是氮掺杂石墨烯负载钴原子的使用，这种方法已被证明是一种高效持久的催化剂，用于从水中产生氢。 这种方法向用于能源生产的低成本催化剂迈出了重要一步。
光催化是指半导体材料吸收光能并产生电子空穴对，从而推动还原和氧化反应的过程。 光催化对于解决能源和环境问题具有重要意义，如水裂解制氢和污染物分解等（图 4）。 然而，人们目前正在面临一项重大的研究挑战，即找到能够仅利用太阳能进行水裂解的非贵金属半导体材料。 这一领域正在探索多种策略，包括使用共催化剂或多组分纳米集成。
由于具备高活性、稳定性和多功能性，铂和钯等贵金属在均相催化中同样占据主导地位。 然而，在均相催化剂中寻找贵金属替代品是研究人员面临的一项复杂且持续的挑战。 这些催化剂促进的一大关键反应是 Sukuzi 偶联反应。 著名的是，作者在报告中声称证明了无钯 Suzuki 偶联反应，但后来经证明是由低水平的钯污染物催化而成。 然而，在这一领域，使用自由基反应引发剂（如碘、曙红和四丁基碘化铵等）非常具有前景（图 5）。
生物催化剂是以酶为基础的催化剂，同时也是绿色和可持续催化剂的杰出典范。 生物催化剂由现成的可再生原料制成，具有有机、可生物降解、无毒等特点，并能在温和的反应条件下发挥作用。 生物催化剂的一大关键潜在应用是通过脂肪酸与甲醇的酯交换反应，从植物油脂中可持续地生成生物燃料。 该反应可产生生物柴油（脂肪酸甲酯）和甘油副产品（图 6）。 此外，将生物催化剂与金属催化剂相结合也是一种新兴方法，可实现有价值分子生产的可持续性。
催化剂的变革
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，企业承诺采用更可持续做法的情况明显增多。 由于催化剂在化学工业中仍然不可或缺，人们探索新型催化概念的动力与日俱增，致力于提高必需品的生产效率和可持续性。 认识到这一需求，美国能源部已做出专门承诺，支持开展催化剂基础研究。
过去十年间，可持续催化剂研究取得了长足进步，表明人们对环保型解决方案的追求现已深入人心。 虽然这一市场的全部潜力仍有待发挥，但我们预计，非贵金属催化剂在有机物、无机物和生物基物质等不同领域将大有可为。
如需进一步了解可持续催化领域的未来，诚邀您阅读我们近期在《ChemRxV》上发表的文章。
