非均相催化剂是酶促的

如果瑞士阿尔卑斯山没有隧道怎么办?任何试图穿越它们的人都必须在山脉上下行，并在山脉周围曲折。通过隧道比爬山更节省能源和时间。这类似于催化剂的工作原理：它们通过降低达到所需物理状态所需的能量来加速化学反应。在工业制造方法中，通常涉及使用置于液体或气体反应混合物中的固体催化剂的非均相催化发现许多潜在的应用。在不同的相中，非均相催化剂可以容易地从反应混合物中分离出来。通过这种方式，催化剂可以有效地回收和再循环，非常环保。此外，即使在恶劣的反应条件下，它们也表现出非常稳定的活性。

基础科学研究所(IBS)与首尔国立大学Ki Tae NAM教授和KAIST教授Hyungjun KIM合作的纳米粒子研究中心(由Taeghwan HYEON主任领导)的研究人员首次展示了酶样多相催化。他们开发了一种高活性的非均相TiO2光催化剂，并含有许多单个铜原子。他们使用这种催化剂进行光催化制氢，发现该催化剂与最活跃和最昂贵的Pt-TiO2催化剂一样具有活性。

研究人员致力于对催化剂结构进行建模，类似于最有效和最活泼的催化剂，即生物酶。酶包含催化活性金属原子和周围蛋白质，它们非常紧密地工作以保持它们的反馈来回传递。由于这种协同的内部通信，酶可以迅速调整其结构，以最佳地适应所需的反应(通常称为诱导拟合模型)。在适应期间，酶间歇地恢复其原始形状并转向重整。Hyeon教授说：“我们第一次发现即使在非均相催化剂中也会发生类似酶的可逆和协同活化过程。这是一个前所未有的平台，融合了多相催化剂和生物酶的优点。

生物酶已被认为是开发人造催化剂的中心模型。它们已成功用于设计用于各种反应的均相催化剂。尽管如此，由于缺乏对非均相催化剂的原子级理解，还没有关于工业上重要的具有这些类酶特征的非均相催化剂的报道。这项新研究表明，非均相催化剂可以像酶一样起作用，证实了原子催化剂与相邻环境之间的协同相互作用对总体材料性质和催化活性具有显着影响的基本原则。

结合理论模拟和纳米材料合成技术，研究人员合成了一种酶样非均相催化剂。它们覆盖了具有单原子铜的圆形TiO 2衬底。他们将TiO2和铜原子包裹在一起。随后的烘烤成功地仅在钛位点上稳定了铜单原子。本研究设计位点特异性单原子催化剂至关重要，因为这种单原子结构直接模拟酶的结构(由单原子金属离子和周围蛋白质组成)。

有趣的是，合成的位点特异性单原子Cu / TiO2催化剂经历了独特的光活化过程。通过吸收光，TiO2激发电子。通过简单的氧化态改变将激发的电子转移到单个铜原子上。电子的转移又改变了周围的TiO2结构(就像酶的诱导拟合模型一样)。当电子从金属原子转移回TiO2时，该活性状态然后反转到初始静止状态。实际上，这种相互作用和可逆机制的确认是白光Cu / TiO2在光照下迅速变黑，并在用空气吹扫时恢复到初始白色。由于这种酶的特性，单原子Cu / TiO2催化剂将40%以上的光能转化为H2，具有极高的催化活性，它与最活跃和最昂贵的Pt-TiO2光催化剂一样具有活性。(已知氢气是最有效和最理想的燃料，因为它会产生水作为唯一的副产品)