内蒙古大学，校史首篇Nature Nanotechnology！

摘要：级联催化可以通过耦合多个反应，最大限度地减少分离和降低能源消耗，从而彻底改变化学生产。当前，级联催化过程存在两个痛点：1是难以设计新颖的纳米结构以适应多个催化位点的精确空间定位，以此调节反应中间体的扩散路径。2是当下的异相催化剂通常需要依靠外部宏观的磁子或者机

级联催化可以通过耦合多个反应，最大限度地减少分离和降低能源消耗，从而彻底改变化学生产。当前，级联催化过程存在两个痛点：1是难以设计新颖的纳米结构以适应多个催化位点的精确空间定位，以此调节反应中间体的扩散路径。2是当下的异相催化剂通常需要依靠外部宏观的磁子或者机械搅拌来促进混合和增强相间的传质，但宏观搅拌过程主要诱导分子的外扩散，是一个相对被动的扩散过程，不利于中间体分子在位点之间的次序传递，从而影响产物选择性。

受生物系统（如细胞多腔结构和功能等）可以自发地将能量输入转化为必要的动作，并协调多个位点进行多步骤的生化级联反应的启发，内蒙古大学能源材料化学研究院赵东元院士/马玉柱青年长江学者（一作兼通讯）、联合化学化工学院刘健教授、吉林大学吕中元/朱有亮教授等人在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Paddle-like self-stirring nanoreactors with multi-chambered mesoporous branches for enhanced dual-dynamic cascade reactions”的研究成果，第一作者为马玉柱、郭佩婷和马冰。该工作基于前期发展的纳米液滴界面组装策略，实现了复杂分支多腔结构设计和对结构的精准预测（Nat. Synth. 2024, 3, 236–244.）。基于新型的分支纳米结构，该团队一直思考如何构筑智能化的介孔纳米反应器，实现结构-功能-应用之间构效关系的匹配（Nat. Rev. Chem.2024, 8, 915–931.）。

该研究中，作者将分支多腔结构中多功能/活性位分离和纳米尺度的自旋运动整合到一起，首次提出了类行星式纳米反应器的概念，突破了纳米尺度上分子定向扩散传质的限制，显著提升了级联催化反应效率和反应选择性。

研究亮点

该工作首先通过纳米液滴膨胀和随后的融合策略，设计了一种具有分支多腔结构的桨状介孔纳米反应器（图1 ），利用分步封装策略可以将功能组分，如Fe344纳米颗粒（~20 nm）等植入到特定的位置，从而在单粒子水平上构建壳-室、上-下腔和左-右腔分离的杂化二元、三元和四元多功能级联纳米反应器（图2 ）。

图1: 分支桨状多腔纳米反应器的合成。

图2: 多功能纳米反应器。

将磁性Fe34纳米颗粒封装在两个分支的第一个腔室后，该纳米结构在交变磁场下表现出行星式的自转和公转模式（围绕质量中心，类似于地球自转和公转）。该自转-公转模式提高了混合和扩散效率，更重要的是，可以将更多的分子吸附到催化剂表面，有利于传质和催化效率的提高（图3 ）。

图3: 磁响应纳米搅拌桨。

进一步将Pd和Au催化中心分别落位到分支结构的不同空间位置，构筑了一系列自搅拌纳米反应器（Au-Pd活性位距离不同）。以Au-Pd壳层-内腔分离的自搅拌纳米反应器为例，纳米尺度的自搅拌反应器其初始反应速率相比于传统的宏观搅拌提高了一个数量级。此外，目标产物的产率也从宏观搅拌时的76.8%（选择性为78.1%）上升到纳米搅拌时的95.4%（选择性为96.4%，图4 ）。同时，调整Au-Pd活性位空间位置（距离）后，可以进一步改变反应分子的扩散路径，进而调节目标产物选择性。

图4: 磁响应纳米搅拌桨级联催化效果。

催化增强机制

首先，无数个独立的分支纳米结构在体系中同时旋转搅拌，显著增强反应效率。其次，纳米反应器的自转过程，不仅可以驱动分子由高浓度到低浓度的自发扩散。同时自转过程可以产生指向内腔的反作用力，从而大大增强内扩散过程，甚至可以驱动分子从低到高浓度的反向扩散。这种双动态驱动模式增加了中间体到达下一个活性位点（Au，如本研究中）的概率。这也调制了分子到达下一位点的概率，进一步优化分子扩散路径，提高产物选择性（图5 ）。