多相催化剂通过与反应物处于不同的状态来加速化学反应。即使在高温或高压等挑战性条件下，它们也高效且稳定。传统上，铁、铂和钯等金属已广泛应用于石化和农业等行业，用于氢化和哈伯法等重要反应。然而，这些金属很稀有，并且可能存在焦化等问题。科学家们越来越多地探索常见元素作为催化剂，以实现更可持续和更具成本效益的工业应用。

2000 年代中期，受挫路易斯对 (FLP) 概念的引入标志着催化领域的重大进步，特别是在小分子活化方面。 FLP 由两种成分的组合组成，一种作为路易斯酸，另一种作为路易斯碱，由于空间或电子阻碍，这两种成分无法完全相互反应。这种“挫折”使它们处于高度反应状态，使它们能够激活氢、二氧化碳或氨等稳定分子，这些分子通常很难分解。 FLP 之所以脱颖而出，是因为它们具有多个活性位点，与通常只有一个活性位点的传统催化剂相比，它们更具反应性和选择性。 FLP 主要有两种类型：异质缺陷调节 FLP 和基于分子的同质 FLP。第一类通过表面缺陷控制活性位点的数量；准确调整其反应性并控制其稳定性可能很乏味。小分子，其中酸碱对存在于相同的分子结构中，使得通过简单地改变周围的成分更容易调整其反应性。

最近的一项研究通过将基于分子的 FLP 用于固态系统而开辟了新天地。研究人员通过聚合物衍生陶瓷（PDC）工艺利用预陶瓷聚合物的化学多功能性实现了这一目标。这项合作汇集了来自世界各地的专家，包括日本V体育的 IWAMOTO Yuji 教授和 Shotaro Tada 博士；法国利摩日大学Samuel Bernard博士；以及印度马德拉斯印度理工学院的 Ravi Kumar 教授。他们的研究结果于 2024 年 8 月 9 日在网上发布，并于 2024 年 10 月 2 日被宣布为“热点论文”，并发表在著名杂志第 63 卷第 46 期2024 年 11 月 11 日。

首席研究员 IWAMOTO Yuji 教授解释道：“我们使用一种含氮有机硅聚合物，称为聚硅氮烷，作为前体刘易斯碱网站以及 为了非晶氮化硅(a-SiN)矩阵。通过热化学过程将其转化，我们创建了孔径精确控制的 a-SiN 支架，可充当纳米限制的反应场."

在这项研究中，研究小组用硼 (B)（一种天然丰富且毒性较低的路易斯酸）和钠 (Na) 对聚硅氮烷进行了化学改性。然后将改性材料暴露于 1000 °C 的流动氨中，形成钠掺杂非晶硅硼氮化物（钠掺杂 SiBN）。

利用尖端光谱技术，研究人员揭示了钠掺杂 SiBN 材料如何在分子水平上与氢相互作用。他们发现，这种材料的独特结构在暴露于氢气时增强了硼和氮位点的反应性。具体来说，氢分子与硼位点和钠离子相互作用，将3重配位的硼-氮部分转化为更加扭曲和极性的结构，与小分子形成4重配位的几何结构，充当受挫路易斯酸（FLA）位点。当在一定温度下引入氢气时，它会引发氮-氢（N-H）键的变化，导致受挫路易斯碱（FLB）位点的形成。这些位点创建了 FLP 的动态相互作用模式，实现了可逆的氢吸附和解吸，这一点已通过热力学实验得到证实。氢释放的高活化能表明强烈的相互作用，使该材料成为高效和可持续的氢基反应的有前途的催化剂。

这种新开发的非晶钠掺杂 SiBN 材料因其卓越的热稳定性而脱颖而出，超越了其他分子 FLP，使其成为恶劣条件下催化过程的理想候选材料。此外，其柔性陶瓷结构为实际应用提供了巨大的潜力，特别是在氢化反应中，这是能源和化工等行业的重要过程。

"这种方法有望促进多相催化中主基团介导的固气相相互作用，提供有价值的见解并有望在该领域产生重大影响”，岩本教授解释道。

这项研究的开创性发现凸显了这种创新材料彻底改变可持续催化的潜力。

开发用于小分子活化和催化的无过渡金属钠掺杂非晶硅硼氮化物（Na掺杂SiBN）
采用聚合物衍生陶瓷方法设计并合成了由硅（Si）、硼（B）和氮（N）原子组成的无过渡金属、钠掺杂非晶SiBN陶瓷，用于小分子活化和催化。钠的分布(Na⁺) 和非晶氮化硅内的 B 位点增强了 B 和 N 位点的反应性，导致暴露于氢气时形成受挫路易斯对 (FLP) 基序。
图片来源：日本V体育 IWAMOTO Yuji 教授

参考

原始论文标题	聚合物衍生的钠掺杂非晶 Si−BN 陶瓷中新型路易斯酸碱相互作用：实现主族介导的氢活化
期刊	应用化学国际版
DOI
最新文章发布日期	2024 年 11 月 11 日

关于t岩本雄二教授

博士。岩本雄二 (IWAMOTO Yuji) 是日本V体育生命科学与应用化学组的教授，也是化学工艺实验室的负责人。他获得了博士学位。 IWAMOTO 教授于 2004 年获得东京大学博士学位，自 1995 年以来一直通过有机金属前体的化学设计处于陶瓷结构控制的前沿。凭借近三十年的专业知识，IWAMOTO 教授对氢能源材料做出了重大贡献，包括开发新型氢亲和材料和氢响应化学阀膜。他撰写了 200 多篇研究文章，并于 2022 年荣获美国陶瓷学会 (AcerS) 院士奖。

资金信息

这项研究由 JSPS KAKENHI 资助，资助号 JP20K05076 和 CNRS 通过国际研究项目 (IRP)“应对全球社会挑战的功能性无机材料”（标记为 FRESH）。 N Asakuma 承认获得 JST SPRING 的财政支持，拨款编号 JPMJSP2112。

联系方式

岩本雄二教授
电话：+81-52-735-5357
电子邮件：iwamotoyuji[at]nitechacjp
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