研究气体分子间的反应不仅对推动工业、农业以及经济的发展具有重要意义,而且对凝聚态化学的建设具有特殊的作用。一般条件下以分散状态存在的气体分子,由于结构的稳定性往往导致化学反应的惰性,因此在绝大多数情况下只能在具有特定组成与结构的催化剂的“活化”作用下才能发生反应。本文列举了5个简单的实例来说明气体分子间反应的进行与结果受制甚至完全决定于反应条件下特定凝聚态催化剂的特性、组成与多层次结构。除此之外,我们还列举了另一条反应路线,即少数气体分子在诸如髙压、超低温、激光、等离子体以及超临界等极端反应条件下,其电子与几何结构以及“态”会发生变化,从而发生特定凝聚态化学反应。

单原子催化,由单原子催化剂推动的催化反应过程,是当前多相催化领域最活跃的研究前沿之一。单原子催化剂是由载体原子与单个金属原子中心通过共价、配位等相互作用,构筑成具有相对明确活性中心的多层次原子聚集体,其组成、结构与性质是凝聚态化学的典型研究对象。本文从凝聚态化学角度出发,简述“单原子催化”概念提出的历史基础和发展现状,系统总结“单原子催化”领域涉及的凝聚态现象即周围原子与金属中心形成的聚集体,详细阐述配位环境对聚集体结构、性质的影响及真实反应状态下聚集体结构动态演变,总结和展望单原子凝聚态效应在多相催化反应领域的应用和未来发展趋势。

催化技术在现代工业生产和日常生活中发挥着举足轻重的作用,也是凝聚态化学材料和应用的重要内容。甲醇制烯烃反应在凝聚态晶体多孔材料上实现,是非石油资源制取低碳烯烃的重要途径,也是凝聚态材料催化应用的典型案例。反应机理和分子筛积碳机制是多相催化领域重要的研究方向。甲醇制烯烃反应是一个动态化学过程,经历诱导期、高效反应期、失活期和催化剂再生,分子筛纳米限域空间内活性有机物种和积碳物种的演变引导了这个催化反应历程。本文围绕这一主题,分别介绍了甲醇制烯烃反应分子筛催化材料及基于主客体化学的结构组成-反应性能的构效关系、甲醇转化反应的分子活化机制、动态催化反应网络以及基于分子筛-积碳主客体相互作用发展的择形催化原理和分子筛积碳失活机理及消碳再生机制。希望通过本文加深对分子筛催化甲醇制烯烃反应中的凝聚态化学的认识,并期待以凝聚态化学为指导,进一步推动分子筛催化材料和催化过程的优化和发展,为今后高效催化剂及催化体系的开发提供指导。

催化在现代工业文明中占据极为重要的地位,在炼油、石油化工、精细化工、制药、环境保护等行业中具有主导作用。小分子的催化转化是解决相关能源和环境问题的关键技术,已成为当今国际社会研究的难点与热点之一。本文针对小分子催化转化中的凝聚态化学,讨论了烷烃脱氢、有机小分子加氢、高效产氢以及合成气转化等过程中凝聚态多层次结构对于催化性能的影响,强调了金属-载体之间的相互作用带来的凝聚态化学性质的变化,最后进行总结和展望。希望通过本文可以为凝聚态多层次结构和催化性能之间的构效关系研究提供思路,为今后高效催化剂的进一步开发与机理研究提供指导。

本文致力于讨论气固相的分子筛催化反应中的凝聚态化学,主要涉及:(i) 气相中的反应物在分子筛孔道中的吸附;(ii) 反应物在分子筛催化中心上的吸附与催化转化;(iii) 反应产物从分子筛孔道中的脱附。在上述过程中,任何可以加快在分子筛上的反应物吸附、催化转化与反应产物脱附都可以提高分子筛催化材料的性能。为了实现这些目的,近年来人们提出了合成沸石催化材料的新策略,包括沸石晶体纳米化、引进介孔结构、制备沸石纳米片层和沸石晶体的浸润性调控。将具有催化功能的金属或金属氧化物物种引入到沸石晶体中,可以制备出结合沸石高稳定性与择形性以及高催化活性于一体的新型沸石催化材料,这对发展新的催化过程提供了新机遇。

氮是构成生命和物质世界不可或缺的元素,发展高效的转化方法将氮气分子转变为具有各种功能的含氮化合物,具有重要的经济价值和科学意义。氮气分子的活化转化是化学学科永恒的课题,而凝聚态化学的研究方法和多层面认识对固氮研究具有深刻意义。本文列举了一些固氮化学中的凝聚态现象,从均相溶液固氮、多相合成氨以及氮气/氧气多能耦合转化等三方面,讨论了目前固氮化学领域中存在的关键科学问题,期望启发更多学者从凝聚态化学角度思考固氮化学反应本质,为解决相关问题提供更多新的思路。

二氧化碳催化氢化合成多碳化合物的研究对于减少碳排放和实现碳资源的可再生利用具有重要意义。本文总结概述了近年来二氧化碳氢化合成多碳化合物催化体系研究进展,着重介绍了低温下催化CO₂氢化合成多碳烃或多碳醇的金属纳米簇基催化剂的研究进展,讨论了CO₂氢化反应中C₁和C₂₊产物选择性调控的化学基础,介绍了具有低温催化CO₂氢化合成多碳化合物功能和高C₂₊化合物选择性的PtRu双金属纳米簇催化剂的合成和构-效关系研究进展。在此基础上,进一步阐述了所提出的金属纳米簇催化剂局域电荷分布效应理论。

催化化学在现代化学工业中占有举足轻重的作用,开发高效催化剂是催化领域中的重要研究目标。具有金属-载体强相互作用(Strong metal-support interactions, SMSI)的催化剂表现出优异的催化性能,这使SMSI成为催化研究中的一个重要科学问题。SMSI现象涉及催化剂载体对其表面金属纳米颗粒的包覆,在提高纳米颗粒稳定性的同时,还在纳米颗粒与载体间产生了新的相互作用并以此改变了催化剂的反应性能。目前研究者们已设计出众多具有SMSI效应的催化剂,其中部分已投入实际生产当中,同时也衍生了大量有关SMSI的研究,特别是那些以金属氧化物为载体的负载型金属/金属氧化物催化剂。然而由于SMSI的复杂性,关于其形成的驱动力的争论仍然存在,同时SMSI的本质和催化机制也有待进一步的研究。该综述总结了SMSI的最新进展,其对催化剂的影响和调控SMSI的方法,希望能从凝聚态化学的角度理解和认识SMSI,并提供一种新的催化剂设计策略。

能源是人类赖以生存的基本保障。C₁化学转化作为能源领域的重要反应,为人类社会发展提供了一定的保障。随着“双碳”目标的提出,节能减排,环境友好成为C₁催化转化研究者们的新追求。最近,光驱动C₁化学转化以其温和条件可以实现C₁小分子向多种高附加值产物转化引起了研究者们的关注。水滑石由于其独特的层状二维结构在光驱动C₁化学转化中得到了广泛应用。本文分别从水滑石前体作为催化剂、水滑石基衍生物作为催化剂和水滑石作为催化剂载体三个方面综述了纳米态水滑石基光驱动C₁化学转化的最新研究进展,并总结该领域未来的挑战。希望通过对上述研究工作的分析与讨论,为研究人员在光驱动C₁化学领域提供一定的启示。

凝聚态化学主要研究涉及多种态材料的多层次结构、化学性质与化学反应、凝聚态构筑化学中的前沿科学问题。多孔材料具有比表面积高、孔道结构可调控的特性,在多种应用环境中展现巨大潜力。随着对多孔材料缺陷工程策略的不断深入探索,凝聚态化学的研究范围被极大扩展。在多孔材料的缺陷位点构筑以及功能化应用中,凝聚态化学渗透于每个过程中。缺陷型多孔材料的合成中涉及的物相、孔结构和缺陷位点的形成与调控;在性能应用过程中表面活性位点促进客体物种的转化,充分体现出凝聚态化学过程中的各种化学反应、多孔材料微观结构与不同物种间的表、界面相互作用。本文以缺陷型多孔材料为研究对象开展讨论,包括适于缺陷工程策略的无机多孔材料、多孔材料中缺陷结构的类型、多孔材料凝聚态化学缺陷位点的构筑与调控、多孔材料中缺陷位点的表征以及富缺陷型多孔材料在能源存储和催化领域中的应用,以期从凝聚态化学角度加深对多孔材料缺陷工程的认识,并期待以凝聚态化学为指导进一步推动功能化多孔材料的发展。

通过化学反应形成确定的和复杂的原子分子凝聚态,其原子分子间相互作用的多维度复合与协同,拓展了物质结构模式,体系性能发生突变,表现出凝聚态化学的某些特性。在特定条件下或在超临界条件下的歧化反应,产生锰金属离子以三种氧化态的形式聚集成的复杂调制结构。本文从凝聚态化学角度出发,详细介绍了在亚/超临界水热条件下,原子尺度pn结固体的生成,量子IV特性与电场诱导超流现象,讨论了化学反应驱动的凝聚态转变问题。本文同时介绍了凝聚态流体的基本性质和各级凝聚尺度中气体分子参与的化学反应,包括化学键修复反应、水热反应、人工降雨和肿瘤的消退,以及超临界条件下凝聚态化学反应的机理和潜在应用。

高压下的气体研究是一个非常重要的研究方向,对许多学科领域具有重要意义。本文介绍了气体在高压条件下所具有的特殊物理和化学性质及其参与的化学反应。高压下气体的行为与其在环境条件下有很大不同,在极端压力下,气体会发生结构转变,电磁性质发生变化,并显示出有趣的相变。气体的化学反应也会发生变化,并发生新的反应路径。理解高压对气体反应的影响对于提高我们对新化合物合成的了解至关重要。此外,本文还介绍了高压下气体的实际意义。高压下气体所表现出的独特性质使其在其他学科领域得到应用,本文特别介绍了高压条件下气体在高温超导体、极端高能材料和行星科学等方面的应用。总之,对高压下气体的研究为了解物质的基本特性提供了宝贵的见解,理解这些现象对于推动凝聚态物理、材料科学和化学等学科的发展至关重要。最后,对高压条件下气体的进一步研究做出了展望。