金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望

金属有机骨架材料(MOF)又称多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属团簇和有机配体通过配位作用形成的新型晶态多孔材料.近30年, MOF材料在催化领域受到了广泛的关注和研究.MOF的多孔结构和高比表面积可以实现催化位点的空间分离并促进物质传输,从而提高催化活性.MOF可以像均相催化剂一样在原子精度进行灵活剪裁和调控,同时具有非均相催化剂易分离回收的优势.通过结合均相和非均相催化剂的优点, MOF表现出了诸多优于传统催化材料的独特性质.本文首先简要介绍了MOF基催化材料设计的基本原理和MOF应用于催化的独特性,其次对MOF在催化中面临的瓶颈和局限进行了论述,最后指出了MOF在未来催化领域中潜在的独特应用前景.MOF材料中金属节点、有机配体和孔空间都可以进行灵活功能化,从而赋予催化活性.金属节点上的不饱和配位点可作为路易斯酸催化中心.配体可以通过修饰不同功能基团从而赋予催化活性.此外,金属节点和有机配体还可以通过接枝外来催化位点进行功能化.更重要的是, MOF孔空间可以限域客体活性单元,极大扩展了活性位的来源.MOF还可以作为前驱体通过化学转化获得多孔碳、金属化合物及其复合材料.MOF的高孔隙率、均匀掺杂等特性可以很好地继承到MOF衍生材料中,使其表现出优异的催化性能.MOF既有广泛的活性位来源,同时表现出独特的结构和成分优势,为催化的发展带来了新的重要机遇.首先, MOF可以实现催化位点空间分离,有效抑制其聚集失活,同时可以稳定均相体系中不兼容的活性位点,实现多位点协同催化.其次, MOF结构的明确性可以精准控制相邻活性位的空间位置,从而实现调控催化行为.第三, MOF孔壁上可以悬挂不同功能基团,实现催化中心微环境调控,显著优化催化性能.此外,多变量MOF实现了在MOF中同时引入多种组分并精准控制其空间序列,进而有效改善催化效果.MOF的单晶结构还可以精准的确定催化位点和微环境组分中每个原子的位置,为理解催化机制提供了新的研究手段.虽然MOF在催化领域已经取得了极大进展,但其化学稳定性、热稳定性和机械稳定性往往相对较差,制约了其大规模应用.此外,多相催化剂在长期运行过程中通常面临失活问题,因而需要再生处理.但是MOF热稳定性相对较差,传统常用的煅烧方法不再适用于MOF,亟待开发适用于MOF的再生方法.另外, MOF合成用到的有机配体和溶剂成本较高,合成过程相对较为复杂,经济性上面临较大挑战.此外,多数MOF的孔径相对较小,传质阻力较大,限制了催化效率.由于上述限制的存在,在未来的工业应用中MOF催化剂的出路是寻找其在催化领域的独特应用场景.例如催化高附加值反应,当产品附加值足够高时,才有望弥补MOF催化剂在成本和稳定性方面的不足.此外, MOF是构建类酶催化材料的理想选择.因而MOF基催化剂有望像酶一样在温和条件下高效、高选择性催化挑战性反应,为其大规模应用提供了重要机遇.而外场(光、电、磁等)辅助催化也可以克服高的反应能垒,有效降低反应条件的苛刻性,为MOF的应用推广创造了机会.在催化机制研究方面, MOF在探究催化剂结构中关键要素以及优化催化性能方面具有显著优势,基于MOF获得的催化关键信息,可以进一步指导非MOF体系下催化剂的设计和工业应用.

计算模拟在蛋白组装研究中的应用

蛋白组装技术发展迅速,被广泛应用于生物催化、生物传感器和药物释放等领域,已成为生物工程领域的重要组成部分。由于蛋白质-蛋白质相互作用的复杂性,以及对蛋白质折叠和分子识别的认识不够深入,设计复杂的蛋白组装非常具有挑战性。随着计算机技术和分子模拟的不断发展,已逐步实现了从原子和分子尺度精确设计蛋白质的组装体和预测蛋白组装体的结构,并进一步在蛋白组装体上设计催化位点来实现人工组装酶的生物催化。近年来,机器学习等人工智能技术已被应用到蛋白组装设计中并促进了蛋白组装研究的发展。综述计算模拟技术在蛋白组装设计、组装结构预测、催化位点设计等方面的研究进展以及在新酶设计、药物释放、生物传感器等方面的应用,以期通过基础理论研究指导面向更多不同应用领域的蛋白组装的设计和优化。