在大量乙烯存在条件下的乙炔选择性加氢是非常重要的工业反应之一，而反应过程中的积碳所导致的反应物扩散受限以及活性位点被毒化是催化剂失活的重要原因。目前，催化剂稳定性的改善方式大多属于几何或/和电子结构调节的范畴，仍需要开发一些新的策略以解决包括活性中心在内的催化剂整体表面的积碳问题。
通过模仿自然界中的结构与作用原理，设计和优化合成材料的催化性能，是一种重要的催化研究思路。近期，受细胞表面纤毛动态运动主导的生物防御机制启发，南京大学丁维平教授团队设计并报道了一种新型聚二甲基硅氧烷接枝CrOx/Al2O3的自活化催化剂用于乙炔选择性加氢反应。
图1. 动态自活化催化剂的设计理念。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
该催化剂在乙炔半加氢反应中展现出与传统贵金属催化剂相当的活性和选择性。除了接枝引起的几何或电子效应外，聚二甲基硅氧烷独特的柔性分子链的“摆动效应”非常关键，其能够对反应中产生的积碳前驱体施加主动扰动，有效避免了碳质沉积引起的位点阻塞，使催化剂在1000小时内保持极高的稳定性。
图2. 仿生催化剂稳定性及效费比。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
炔烃和烯烃聚合形成的初步产物C4~C6物种与表面作用强，分子动力学模拟结果表明其在未修饰的CrOx/Al2O3催化剂上停留很长时间，可持续增长而堵塞催化剂表面。而引进界面仿生机制之后，催化剂表面上PDMS聚合物分子在不断扭曲、摆动与扫动，链节之间相互缠绕，在运动过程中会持续与表面C4和C6分子发生碰撞，这种相互作用限制了后者在催化剂表面的长时间停留，进而阻碍了链增长聚合过程，最终阻止积碳的形成。这些积碳前驱体分子只能在催化剂表面短时间停留，催化剂即通过这种“自活化”作用而迅速恢复活性，这种方式像极了上皮细胞表面纤毛动态运动主导的生物防御机制。可以预见，这种策略与“自活化”效应能够拓展应用于其他催化剂与催化反应体系中，并发挥新颖的作用。
图3. 分子动力学模拟抗积碳机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
本文首次提出了催化剂的仿生动态自活化机制，不仅为其他仿生催化材料的设计提供了重要的指导，还为其他涉及积碳问题的反应的催化剂设计提供了全新的思路。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是南京大学化学化工学院博士后沈辰阳、博士生王怡博和博士生姚钧。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Bio-Inspired Self-Activating Polydimethylsiloxane-Modified CrOx/Al2O3 Catalyst for Acetylene Semi-Hydrogenation
Chenyang Shen, Yibo Wang, Jun Yao, Fengfeng Li, Feifei Mei, Zhewei Zhang, Huili Lu, Xuefeng Guo, Luming Peng, Nianhua Xue, Yan Zhu, Zhaoxu Chen, Weiping Ding
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/202504399
丁维平教授简介
丁维平教授，在南京大学化学系获得学士和博士学位，随后在南京大学物理系、美国加州大学伯克利分校化工系、美国哈佛大学化学系访问学习与从事研究工作。现任南京大学化学化工学院教授，介观化学教育部重点实验室主任。近年来，丁维平教授课题组提倡介观催化研究，学习自然界的酶催化作用，构造活性中心与其外围组织合为一体的催化反应中心，继而将各种反应中心通过外围组织向更高尺度进行三维组装，构成宏观尺度下各部分互相配合的催化剂或催化构件，实现单一的高性能催化反应。在选择加氢、选择氧化、酸催化、燃料电池催化剂以及电催化合成等领域取得丰硕成果，并向应用转化，追求化学化工制造以及新能源领域实用化创新技术。
