过渡金属传统上被用作催化剂，以促进化学反应，将小分子转化为有价值的产品。由于其成本和有限的自然可获得性，研究人员正在寻找更容易获得的替代品。一项最近的研究介绍了一种不依赖于过渡金属的催化剂，利用一种称为“受挫的路易斯对”的概念来激活氢。这一进展可能为更可持续、经济和有效的化学过程铺平道路。
异相催化剂通过与反应物处于不同状态来增强化学反应。它们在高压或高温等严苛条件下表现出高效性和稳定性。历史上，铁、铂和钯等金属在石油化工和农业等行业中被广泛用于氢化和哈伯过程等关键反应。然而，这些金属是稀有的，并且可能会出现如焦化积聚等问题。因此，研究人员越来越多地调查更丰富的元素作为催化剂，以促进可持续和具有成本效益的工业过程。
在2000年代中期，受挫路易斯对（FLPs）的概念出现，代表了催化领域的一大跃进，特别是在激活小分子方面。FLP由两个组件组成：一个作为路易斯酸，另一个作为路易斯碱，但由于空间或电子障碍，它们无法完全反应。这种“受挫”使它们维持在高度反应的状态，从而能够激活像氢、二氧化碳或氨等通常难以分解的稳定分子。FLPs的特征在于它们拥有多个活性位点，使其比通常只有一个活性位点的传统催化剂更具反应性和选择性。FLPs可以分为两种主要类型：通过表面缺陷控制活性位点数量的异相缺陷调节FLPs，以及酸碱对存在于单一分子实体中的分子基Homogeneous FLPs，这使得通过改变周围组分更容易调整反应性。
最近的一项研究通过将分子基FLPs适用于固态系统取得了进展。研究人员通过采用聚合物衍生陶瓷（PDC）方法利用预陶瓷聚合物的化学多样性完成了这一任务。该合作项目涉及来自多个国家的专家，包括来自日本名古屋工业大学的岩本裕司教授和田所翔太博士，来自法国利摩日大学的塞缪尔·贝尔纳德博士，以及来自印度印度理工学院马德拉斯的拉维·库玛教授。他们的研究成果于2024年8月9日在线发表，并于2024年10月2日被评为“热点论文”，出现在2024年11月11日《应用化学国际版》期刊第63卷第46期上。
首席研究员岩本裕司教授表示：“我们利用一种含氮有机硅聚合物聚硅氮作为路易斯碱位点和非晶硅氮（a-SiN）基体的前驱体。通过热化学工艺将其转化，产生了具有精确控制的孔径的a-SiN支架，这在纳米尺度上作为限制反应场。”
在这项研究中，研究小组将聚硅氮化学修饰为含硼（B）–这种元素丰富且毒性较小–和钠（Na）。然后用流动氨气在1000 °C下处理该改性化合物，结果得到钠掺杂的非晶硅氮化硼（Na-doped SiBN）。
研究人员使用先进的光谱方法研究钠掺杂SiBN材料与氢的相互作用。他们发现，当暴露于氢气时，该材料独特的结构增强了硼和氮位点的反应性。具体而言，氢分子与硼位点和钠离子相互作用，将三配位的硼-氮构型转变为更扭曲和极性的状态，形成与小分子共价结合的四配位几何形状，从而起到受挫路易斯酸（FLA）位点的作用。当在某些温度下引入氢时，它引起氮-氢（N-H）键的变化，导致受挫路易斯碱（FLB）位点的形成。这在FLP内产生了动态相互作用模式，促进了可逆的氢吸附和脱附，通过热力学测试得到验证。氢释放所需的巨大活化能表明强相互作用，使该材料成为有效和可持续的氢反应催化剂的有希望选择。
这种新创建的钠掺杂SiBN材料以其优越的热稳定性而闻名，超过其他分子FLPs，使其成为苛刻环境中催化过程的理想候选者。此外，其可调的陶瓷基结构为实际应用提供了显著机会，特别是在氢化反应中，这在能源和化工行业至关重要。
岩本教授解释说：“这种方法展现了在异相催化中增强主族介导的固气相互作用的潜力，提供了有价值的见解并展现了这一领域重大进展的前景。”
这项研究的突破性结果强调了这种新型材料在可持续催化方面的潜力。
