第一作者：陳仲欣、宋靜婷、張蓉蓉
通訊作者：羅健平
通訊單位：新加坡國立大學
研究背景
作為連接均相、異相催化反應的紐帶，單原子催化反應自發現以來便受到廣泛關注，有望通過復雜液相有機反應實現高價值精細化學品的普適性、異相化制備。然而，單原子催化劑在液相有機反應中面臨的一個主要挑戰來自于實驗室間歇式生產帶來的低產能與復雜的工藝優化過程。因此，發展基于單原子催化的流動反應對其在化工、醫藥行業中的規?；瘧镁哂蟹浅Ｖ匾囊饬x。
圖1. 單原子流動催化合成高價值精細化學品
成果簡介
近日，新加坡國立大學化學系羅健平（Loh Kian Ping）教授課題組在Nature Communications雜志上報道了一種借鑒液流電池的單原子催化流動反應裝置，首次突破了現有單原子催化有機反應的轉化率瓶頸，為單原子在工業制藥的廣泛應用跨出重要一步（圖1）。通過在二硫化鉬表面負載具有特定Pt-3S配位環境的鉑單原子（圖2），該反應器可在僅耗用3.2毫克鉑金屬的前提下，實現苯胺類衍生物的超高選擇性連續生產，其實驗室產能達到5.8克/小時（TOF = 8000 h-1），遠高于傳統間歇式反應產能（0.02-0.07克/小時），并能夠用于制備含有烯烴、酮等敏感官能團的28種多取代苯胺（其中6-氨基-4H-苯并吡喃-4-酮的單價約為2000元/克，圖3）。
在催化劑層面，二硫化鉬作為一種電子結構高度可調的催化劑材料，可與表面鉑單原子通過[d3s]雜化軌道形成極為穩定的金字塔構型Pt-3S配位環境，從而獲得在液相流動環境下極為優異的抗金屬流失能力，在高、中、低三種轉化率和大流速（20 mL/min）、高濃度（0.2 M）下連續生產中均不存在顯著的活性流失。其反應的專一選擇性來源于Pt-3S配位環境與硝基分子的單齒配位，由此避免與其他干擾基團的鍵合（如烯烴的雙齒、三齒配位），相關反應機理通過DRIFT和DFT得到了證實。此外，該催化流動裝置亦可應用于鈷單原子催化的選擇性硫醚氧化反應，可在30秒內實現傳統間歇式反應20分鐘所獲得的定量轉化收率，從而大幅提升單原子催化反應的產能。
值得一提的是，該工作率先在反應器層面揭示反應物傳質、傳熱對單原子催化液相有機反應帶來的影響，為后續開發抗流失單原子催化劑及設計宏量合成反應器提供了新思路。作者揭示了在定量轉化區間內，反應器的性能主要受反應物的傳質過程影響。進一步的流體動力學計算和熱成像分析表明，反應器內部湍流環境對單原子催化反應活性具有促進作用（圖4）。在不改變催化劑的前提下，通過壓縮催化劑的物理體積，引入更多湍流行為使反應器在定量轉化區間的產能提升50%以上。
圖2. Pt-3S構型的單原子催化劑原子相電鏡照片
圖3. 通過單原子流動反應器制備的多取代苯胺
圖4. 反應器層面的流體動力學及熱成像分析（原文附件）
參考文獻:
Chen, Z., Song, J., Zhang, R. et al. Addressing the quantitative conversion bottleneck in single-atom catalysis. Nat Commun 13, 2807 (2022).
DOI：10.1038/s41467-022-30551-w
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30551-w
這一成果近期發表在《Nature Communications》上，新加坡國立大學化學系博士后陳仲欣、博士生宋靜婷、博士后張蓉蓉為本文的共同第一作者，新加坡國立大學羅健平教授為本文唯一通訊作者。研究工作得到新加坡國家研究基金的財政支持。
該論文作者為：Zhongxin Chen?, Jingting Song?, Rongrong Zhang?, Runlai Li, Qikun Hu, Pingping Wei, Shibo Xi, Xin Zhou, Phuc T. T. Nguyen, Hai M. Duong, Poh Seng Lee, Xiaoxu Zhao, Ming Joo Koh, Ning Yan & Kian Ping Loh*
羅健平教授是新加坡國立大學化學系首席教授暨石墨烯研究中心領銜人，2018（化學）、2019（材料、化學、物理）、2020（材料、物理）、2021（交叉領域）高被引科學家，在Nature、Science正刊及其系列子刊就以通訊作者發表論文40余篇，僅今年即已發表Nat Photonics，Nat Synthesis，Nat Commun （5篇，含已接受稿件1篇）、Sci Adv共計8篇， 在JACS, Advanced Materials等其他頂級雜志發表的論文亦多達400余篇。
課題組主頁：https://carbonlab.science.nus.edu.sg/
