二氧化矽——能源與環境催化的貴族

2022年6月21，浙江大學孫威研究員與多倫多大學Geoffrey A. Ozin教授在Cell Press細胞出版社期刊Chem Catalysis上發表了題為“Silica samurai : Aristocrat of energy and environmental catalysis”的綜述文章。該論文介紹了二氧化矽在異相催化中不僅僅是一種惰性載體，實際上通過納米化學構築新奇的二氧化矽結構和調控其表麵化學，能夠直接影響催化反應的活性、選擇性、穩定性。這篇綜述為進一步了解具有多功能的SiO2在多相催化中的廣泛作用提供有用的信息，也為低成本和可持續的矽基催化劑的合理設計與發展提供了新的思路。

二氧化矽(SiO2)因其豐富的含量、低廉的成本和高比表麵積而被廣泛用作各種異相催化劑的載體。除了介孔和微孔二氧化矽，傳統的二氧化矽長期以來一直被認為是一種惰性的載體，用來分散活性金屬或者用於探究異相催化的反應機理。然而，近年來的一些研究發現，功能化的二氧化矽能夠直接調控催化劑的性能。比如利用二氧化矽表麵基團電荷的修飾和控製潤濕性、設計活性金屬與二氧化矽的界麵、利用二氧化矽的光學效應、構築二氧化矽與活性金屬的強相互作用、設計二氧化矽的核殼結構等策略，能夠有效提升催化劑的性能（活性、穩定性、選擇性）。

圖1：二氧化矽在異相催化中的新應用

作者總結了二氧化矽在異相催化中不僅僅是惰性載體，還能通過對其結構和化學的操控從而影響催化的性能，並全麵總結了目前常見的一些調控策略，甚至包括了二氧化矽的光學作用（圖2），以及過去不曾注意到的一些新現象：光熱催化中的保溫作用、其缺陷可直接作為二氧化碳還原反應的活性中心、作為0價矽納米催化結構的前驅體。與此同時，為了進一步推動矽基催化劑的發展，作者對該領域的發展前景和挑戰進行了展望。

圖2：二氧化矽的光學作用

（1）雖然二氧化矽表麵的電子調控可以有效提升催化劑的性能，但是它不適用於所有的異相反應。其表麵的電子調控隻能吸收特定的反應物或者中間物種，因此選擇合適的反應體係是非常重要的。同時，目前隻發現少量的活性金屬能與二氧化矽之間產生強相互作用，這可能是由於二氧化矽的惰性導致。因此，開展新的合成方法發展更多的活性金屬與二氧化矽之間的強相互作用很有意義。此外，二氧化矽與金屬之間的強相互作用機理仍然不是很清晰，因此需要借助一些原位表征技術和理論計算技術相結合，去探究二氧化矽表麵的動態變化。

（2）雖然二氧化矽的核殼結構能夠有效提升催化劑的穩定性，但是合成方法複雜、二氧化矽殼層影響了反應物的活性位點、該殼層在苛刻的反應條件下（高溫的水蒸氣、堿性溶液）中容易被刻蝕，因此，矽基納米結構的未來發展應關注其可行性和可擴展性。

（3）通過表麵活性劑和矽酸鹽的自組裝合成，可以得到一係列理想的介孔二氧化矽形貌，這是一種有前景的多功能介孔二氧化矽合成策略。這種獨特的彎曲形狀，而不是簡單的球形，為多相催化劑的電學、光學和機械性能的調整提供了更多的可能性。研究由介孔二氧化矽的尺寸、形態和團聚體結構決定的微動力學也很有意義。

（4）通過以二矽烷氣體為前驅體的化學氣相沉積(CVD)方法，可以使微觀矽線或矽點填充在沸石型二氧化矽結構的孔道和孔洞中，介孔矽可在二氧化矽的介孔中生長，宏觀矽可以通過二氧化矽蛋白石結構的模板形成反蛋白石光子帶隙(PBG)網絡。這些形式的矽結構衍生自二氧化矽，從而能操縱光子，產生空間和量子限製效應，這對光催化反應是至關重要的。

（5）二氧化矽的多功能表麵功能化如何決定當前催化過程的選擇性和穩定性仍有待探索。值得注意的是，矽表麵自組裝單分子膜是一種成熟的技術，值得研究其錨定原子分散金屬進行高選擇性化學轉化的能力和穩定性。表麵功能化對二氧化矽結構在液相中的膠體穩定性的影響也值得研究，特別是對於環境修複的應用場景。此外，它還可以使二氧化矽在其他化學圖案基底上定向組裝，這可能有助於構建用於催化反應微係統的微型光子晶體芯片。另外，結合1999-2000年關於周期性介孔有機官能化氧化矽材料的突破，二氧化矽功能化還將進一步大放異彩。

相關論文信息

論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊

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▌論文標題：

Silica samurai: Aristocrat of energy and environmental catalysis

▌論文網址：

https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(22)00286-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.checat.2022.06.001