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催化剂在人们的日常生活和工业生产中扮演着重要角色。在环境问题日趋严重的今天，开发高效、廉价且环境友好的绿色催化剂是推广各种新能源策略、实现碳中和战略目标的关键。传统催化剂主要依赖于过渡金属，利用它们空的d轨道或f轨道，与底物分子结合成键，形成能垒较低的过渡态。对于非金属来说，一般认为它们没有空轨道，很难参与催化过程。事实上，p区元素在一些材料中可以具有催化活性。2021年诺贝尔化学奖得主Benjamin List和David MacMillan开拓的有机催化，就是利用只含有简单非金属元素的有机小分子来驱动大量的化学反应，特别是不对称反应。无机非金属催化剂典型的代表是碳纳米材料，近20年被广泛用于多种反应过程，在能源转化与存储、环境保护以及工业催化等领域大放异彩。一些其他非金属材料也相继被报道具有独特的催化行为，甚至可与过渡金属催化性能相媲美。
大连理工大学物理学院的周思研究员和赵纪军教授课题组回顾了以非金属原子（碳、硅、氧、硼、磷）作为活性中心的低维纳米催化剂的研究进展，总结了关于石墨烯、硅烯、磷烯、二维金属氧化物、二维硼化物、碳纳米管和硼氮纳米管等多种低维材料用于清洁能源生产的实验和理论成果；通过系统分析和对比这些研究结果，揭示了p轨道所主导的催化活性的起源和诱导机理，并归纳了多种非金属基催化剂的电子结构-活性之间的构效关系。类比用于描述过渡金属活性趋势的“d带中心理论”，该课题组提出“p轨道模型”，成功解释了一系列非金属活性中心的吸附性能与p轨道特性之间的关联，为精准设计高活性的非金属催化剂提供了重要指导。由于不同p区元素形成的材料体系表现出丰富多样的结构和迥然不同的性质，它们的活性起源和调控规律难以用统一的理论图像去解释，未来仍需大量的实验和理论研究来系统、深入地探索非金属催化，从而充分利用地球储量丰富、环境友好的元素构造绿色催化剂，加速清洁能源的高效生产和推广应用。
该文近期发表于npj Computational Materials 7: 186 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Low-dimensional non-metal catalysts: principles for regulating
p-orbital-dominated reactivity 
Si Zhou, Wei Pei, Yanyan Zhao, Xiaowei Yang, Nanshu Liu & Jijun Zhao
Activation of p-block elements to replace the rare and precious transition metals for renewable energy applications is highly desirable. In this review, we go over recent experimental and theoretical progress on the low-dimensional non-metal materials for clean energy production, including carbon, silicon, oxide, boron, and phosphorus-based nanostructures, with the p-block elements serving as active sites. We aim to elucidate the mechanism for triggering activity in different kinds of non-metal systems, and extract general principles for controlling the p-orbital-mediated reactivity from a theoretical point of view. The perspectives and challenges for developing high-efficiency non-metal catalysts are provided in the end.
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关键词
催化剂
材料
催化活性
过渡金属
轨道