中科大江海龙团队：MOF基催化剂中催化微环境的设计与精准调控

近日，中国科学技术大学江海龙教授团队的AMR评述文章“Microenvironment Modulation in Metal–Organic Framework-Based Catalysis”作为2021年五月刊正封面文章发表。课题组应编辑部邀请对MOF基催化剂微环境调控的系列工作进行梳理总结，并就当前该方向的挑战和机遇进行了的简要介绍。

作者团队简介

江海龙，中国科学技术大学教授、博士生导师、英国皇家化学会会士（FRSC），获得国家杰出青年基金资助，入选第四批国家“万人计划”科技创新领军人才（2019年）、科技部中青年科技创新领军人才（2018年）等。2017-2020年连续入选科睿唯安（原汤森路透）全球高被引科学家（化学）和爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者榜单。

长期从事配位化学、材料化学和催化化学的交叉性研究工作，特别在基于金属有机框架（MOFs）的晶态多孔功能材料的设计、合成与催化功能探索等方面开展了系统的研究工作，并取得了一些重要的研究结果，其中部分研究成果获得2020年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）一等奖（第一完成人）。研究结果已在国际重要SCI期刊上发表论文160余篇，其中以第一和通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.（15篇），Angew. Chem.（15篇），Chem（4篇），Nat. Commun.（2篇），Adv. Mater.（6篇），Natl. Sci. Rev.（2篇），Matter（1篇），Acc. Chem. Res.（1篇），Acc. Mater. Res.（1篇），Chem. Soc. Rev.（2篇），Coord. Chem. Rev.（4篇）, Mater. Today（1篇）等高水平期刊上发表论文。相关论文被引用26000次以上（H指数：81），其中54篇论文入选ESI高被引论文（Highly Cited Papers, Top 1%）。在《Nanoporous Materials: Synthesis and Applications》中撰写书章一章。担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员、天津市能源材料化学重点实验室学术委员会委员等；担任EnergyChem（Elsevier）、Materials（MDPI）、中国化学快报、化学学报、Scientific Reports（NPG）、无机化学学报、中国科学技术大学学报等期刊编委和顾问委员会委员。承担基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等多项重要科研任务。

课题组主页：

http://staff.ustc.edu.cn/~jianglab/

江海龙教授

江海龙教授课题组合影

文章内容简介

催化微环境可以在催化位点周围形成独特的空间结构和电子性质，对催化性能具有重要的调控作用。然而在多相催化中，由于传统无机催化剂缺乏原子精度的可调变性，在催化位点的微环境调控上仍具有挑战。金属有机骨架材料 (MOFs) 具有明确的晶态结构、丰富的活性位来源和灵活的调控策略，为精确控制微环境带来了巨大机遇。然而，当前MOF催化中对微环境精确控制的研究还非常有限。因此，深入研究MOF基催化中的微环境设计调控，认识其中的内在机制并实现材料催化性能优化，对催化领域具有重要意义。

近年来，中国科学技术大学江海龙教授课题组致力于MOF基催化材料中活性位点微环境的精准调控，并取得了系列重要的研究进展。针对催化中的扩散传质，课题组通过调节MOF孔结构和化学微环境（如润湿性）等，实现催化位点周围反应物尺寸/形状的精确选择和快速扩散。针对反应中的电荷传递，通过MOF调变活性位微环境，有效地调控了电荷迁移距离和分离效率，加速了反应过程。此外，课题组还借助MOF结构和成分的灵活性，通过改变微环境，精确调制催化位点的电子态和配位结构，优化位点本征活性。在此基础上，课题组还通过微环境调控，实现了传质、电荷转移和催化位点的本征活性等多个关键因素系统性优化，极大改善了催化性能。

AMR：请问课题组选择这个领域的初心是？

作者团队：自然界中，酶可以在温和条件下实现高效专一的催化过程。天然酶中的氨基酸残基在其催化口袋中精确排列，可以提供独特的反应微环境，诱导底物在催化中心附近的取向和预活化，从而获得高的催化活性和选择性。受酶催化作用的启发，在人工多相催化体系中精准调控反应微环境，模拟酶的催化过程，将会是改善催化性能的一种极为有效的策略。而在人工多相催化体系中的微环境调控中，如何实现催化位点周围微环境在原子分子尺度上的精确构筑目前仍然是一个巨大的挑战。金属有机骨架材料 (MOFs) 作为一种新型晶态多孔框架材料，具有结构明确、成分多样、可灵活修饰剪裁等诸多结构和成分特性，在微环境精确调控上具有得天独厚的优势条件，因而为该领域发展带来的巨大机遇。我们基于课题组在MOF催化领域长期的研究积累以及对MOF的结构和成分特性的深入理解，发掘出了其在仿酶催化和微环境调控上的独特优势，并开展了一系列相关的初步研究工作。

AMR：您对这个领域的发展有何种愿景？

作者团队：多相催化中的微环境调控的相关研究目前仍处于起步阶段，对MOF基材料来说更是一个全新的研究领域，因而机遇与挑战并存。虽然MOF基催化材料的微环境调控在优化催化性能上展现了巨大的优势，但是当前调控策略相对比较简单，调控手段也比较单一。随着后续研究过程的深入，更多的微环境调控因素，如氢键和静电/范德华/配位相互作用等逐渐引入，将会更好地实现复杂的酶催化微环境的模拟。而随着微环境更加深入的研究和精准构筑，将有望实现催化反应路径的精准控制以及惰性分子温和条件下的高效活化，从而极大地提高人工催化体系的催化活性和选择性。进一步，基于MOF基催化体系获得的微环境调控的结果，将会对其他无机催化体系的构筑和性能优化产生重要的指导与启示。我们坚信催化微环境调控将会为多相催化的发展开辟一个全新的领域。