【创新在大工】化工学院科研团队在纳米反应器设计和应用领域取得重要进展

近日，我校化工学院陆安慧教授团队首次报道了一种“内热外冷”模式的多功能纳米反应器，在磁场的诱导下可实现近室温/近常压条件下（40℃，3 bar）多种α，β-不饱和醛酮的高选择性（>98%）加氢。相较于传统方法（图1a，b），该种纳米反应器可将高温高压“约束”在“纳米反应空间”内（图1c），从而实现宏观尺度下催化过程的温和转化，而采用传统方法需要更高的温度和压力（120 ℃，30 bar）才能实现同样的转化效率。这项工作是对传统催化剂加热方式革新的一次探索，为温和条件下的有机催化转化开辟了一条新的途径，也为催化剂的多功能纳米化集成提供了新的思路。相关成果以“Nanoengineered design of inside-heating hot nanoreactor surrounded by cool environment for selective hydrogenations”为题发表于影响因子为29.4的国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

图1 传统“由外向内”加热催化剂、传统磁热催化剂与具有热约束功能的“内热外冷”纳米反应器的对比

陆安慧教授团队基于前期提出的磁性纳米粒子的“炭保护”策略（Angew. Chem. Int. Ed.2007, 46, 1222–1244），并结合“限域热解”策略（Angew. Chem. Int. Ed,2011,50, 11765-11768;ACS Nano, 2015, 9, 8504-8513），将“加热源”Fe₃O₄纳米颗粒构筑于纳米反应器的空腔内（图2），同时利用炭表面硫化实现Pt团簇的高分散以及对目标分子（巴豆醛、肉桂醛、3-甲基-2-丁烯醛、糠醛、乙基乙烯基酮和3-甲基-3-丁烯-2-酮等）的特异性吸附活化加氢。

图2 具有内置热源的多功能纳米反应器的透射电子显微镜表征

基于温敏分子的局部温度传感技术和有限元分析（FEA）分析，内置磁性颗粒的“内加热”能力和多孔炭壳的“热限域”能力使其空腔内可产生约为120℃，9.7 bar的高温高压空间，这可使反应速率提高20.1倍。而液相主体的宏观温度仅为40℃。扩散至“冷环境”中的产物可防止被过度加氢，因此在高转化率下仍可保持高选择性（图3a）。与已报道的文献的反应条件相比（大多为80℃以上，20 bar），这样的纳米反应器需要的反应条件更温和，且反应活性也更加优异（可达335mol·mol_cat.^-1·h^-1）（图3b）。

图3 巴豆醛选择性加氢性能探究

论文第一作者为我校化工学院博士生张瑞平，通讯作者为化工学院陆安慧教授和运载工程与力学学部吴承伟教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，以及国家自然科学基金重点项目的资助支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302793