摘要：Nature Chemical Engineering《自然-化学工程》，于2024年1月正式上线，主要出版应用化学和物理学领域的前沿研究，并面向广泛的科学界，如化学工程师、化学家、物理学家、环境学家和材料科学家等。2025年1月是《Nature Chemic
Nature Chemical Engineering《自然-化学工程》，于2024年1月正式上线，主要出版应用化学和物理学领域的前沿研究，并面向广泛的科学界，如化学工程师、化学家、物理学家、环境学家和材料科学家等。2025年1月是《Nature Chemical Engineering》创刊的一周岁生日。2025年1月标志着《自然化学工程》创刊一周年。为了纪念首个周年庆，编辑团队精心挑选了从首期至第十二期中的亮点内容。精选的主题包括“Process design, modelling and scale-up”、“Catalysis and reaction engineering”、“Separations and transport processes”和“Cellular and biomolecular engineering”。这些精选展示了期刊内容的多样性、涵盖主题的广泛性和文章形式的多样性。
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本文选取了《Catalysis and reaction engineering》板块的亮点文章进行解读！
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机器学习辅助发现液流反应器设计
增材制造技术可以制造出先进的反应堆几何形状，允许更大、更复杂的设计空间。在这样的空间中确定有前途的配置对当前的方法提出了重大挑战。此外，现有的反应器几何参数化是低维的，优化成本高，限制了更复杂的解决方案。
基于此，伦敦帝国理工学院Ehecatl Antonio del Rio Chanona等人报道了一种机器学习辅助方法来设计新的化学反应器，结合了高维参数化、计算流体动力学和多保真贝叶斯优化的应用。作者将螺旋反应器中增强混合的涡流结构的发展与性能联系起来，并使用本文的方法来确定优化设计的关键特征。通过利用流体动力学原理，作者对设计特征的选择进行了合理化，与常规设计相比，实验塞流性能提高了约60%。研究结果表明，将先进的制造技术与“增强智能”方法相结合，可以提高反应堆设计的性能。
Machine learning-assisted discovery of flow reactor designs. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-024-00099-1.
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商用化学品的电热合成
近几十年来，随着可再生电力的日益普及和环境挑战的日益认识，商用化学品的电热合成引起了科研人员们的极大兴趣。传统的电热方法，包括焦耳加热、微波、感应加热和等离子体，已经迅速从毫米大小的微反应器发展到模块化甚至工业规模的系统。同时，新的化学工程概念，如利用纳秒到毫秒长的能量脉冲对非平衡化学反应进行动态和可编程操作，通过给各种反应器组件（例如反应器壁、催化剂床或多孔介质中的反应物）通电进行空间和时间加热，以及场增强反应和催化，已被发现来改善合成结果。尽管该领域进展迅速，但仍存在许多知识差距和技术障碍。
基于此，耶鲁大学胡良兵教授和Shu Hu、普渡大学Qi Dong等人回顾了关键的工程进展，分析了未解决的挑战，并讨论了商用化学品电热合成的潜在方向，以实现其在未来化学制造中的更广泛应用。
Electrothermal synthesis of commodity chemicals. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-024-00134-1.
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单位点掺杂Cu催化剂诱导CO2电还原选择性形成C2产物
在电催化CO2还原过程中，控制后C-C耦合的选择性决定步骤对于提高C2产物的特异性至关重要，补充了提高速率决定步骤动力学的努力。基于此，辛辛那提大学Jingjie Wu、莱斯大学Thomas P. Senftle和亚利桑那州立大学Shize Yang等人强调了铜（Cu）表面上的单位点贵金属掺杂剂在影响氧结合选择性决定中间体中C-O键解离的作用，将后C-C偶联转向乙烯而不是乙醇。
结合理论和实验分析，作者证明了Cu表面的氧结合强度控制了C-O键断裂的有利性，从而调节了乙烯-乙醇的选择性比。在-0.66 V下，具有最佳氧结合能的铑（Rh）掺杂Cu催化剂对乙烯的法拉第效率（FE）为61.2%，对乙烯到乙醇的法拉第效率比值为4.51。在串联电极中，速率决定步骤和选择性决定步骤的集成控制进一步将乙烯法拉第效率提高到电流密度为1.47 A cm-2时的68.8%。本研究成果指导了Cu基催化剂的合理设计，用于选择性CO2电还原到单个C2产品。
Directing CO2 electroreduction pathways for selective C2 product formation using single-site doped copper catalysts. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00018-w.
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木质素精炼的C-C键断裂
碳-碳（C-C）键在木质素中普遍存在，限制了当前解聚策略的单体产量，主要针对C-O键。在没有预官能化的情况下，对固有惰性的σ型C-C键进行选择性切割仍然是一个挑战。基于此，埃因霍芬理工大学Emiel J. M. Hensen、东南大学肖睿教授和骆治成教授等人报道了一种温和的还原性催化方法，在初始破坏不稳定的C-O键的情况下，木质素中C-C键的断裂，使单环烃的产量比以前报道的要高一个数量级。在本文中，作者采用双功能Pt/H-MOR催化剂来解聚技术木质素，以比文献报道的高2-11倍的收率获得单体。
在相对较低的温度（300 ℃）下，7种不同木质素中芳基-芳基、芳基-烷基和烷基-烷基的选择性裂解说明了该方法的实用性。机理研究表明，H-MOR中的Brønsted酸位点可以直接裂解芳烷基键。Pt/H-MOR双功能催化剂催化芳基-芳基和烷基-烷基化合物的裂解，其中Pt使芳基部分氢化并在烷基部分引入双键，随后酸催化β-裂解。这种方法大大提高了单体产率，最佳结果是比所研究木质素的传统最大单体产率提高了58-409%。技术经济分析表明，该方法在生产汽油和喷气式飞机范围内的环烷烃和芳烃方面很有前景，而生命周期评估证实了它在催化CO2生产中性燃料方面的潜力。
Carbon-carbon bond cleavage for a lignin refinery. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00006-0.
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「自动驾驶」催化实验室的自主反应帕累托-前沿映射
配体在过渡金属介导的均相催化剂的化学转化中起着至关重要的作用。尽管它们在均相催化中具有无可争议的作用，但发现和开发配体已被证明是一项具有挑战性和资源密集型的工作。
基于此，北卡罗来纳州立大学M. Abolhasani等人报道了一个“自动驾驶”催化实验室，即Fast-Cat，用于自主和资源高效的参数空间导航和高温、高压、气液反应的帕累托-前映射。Fast-Cat能够在最少的人为干预下实现自主配体基准测试和多目标催化剂性能评估。具体而言，作者利用Fast-Cat在铑（Rh）和各种磷基配体存在的情况下，对合成气（CO和H2）和烯烃（1-辛烯）之间的氢甲酰化反应进行快速Pareto-front鉴定。
通过反应器基准测试，作者展示了Fast-Cat的知识可扩展性，这对精细/特种化工行业至关重要。作者报告了Fast-Cat的模块化流动化学平台及其自主实验选择策略的细节，该策略用于快速生成优化的实验条件和内部数据，为反应和配体研究提供机器学习方法。
Autonomous reaction Pareto-front mapping with a self-driving catalysis laboratory. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-024-00033-5.
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Ni基反相催化剂实现超低温高效CO₂甲烷化
低温甲烷化使得CO2在大气压下接近平衡地转化为甲烷（CH4），具有显著的能源效率和经济效益。由于氢化中间体的动力学限制，在低温下高效催化活化CO2仍然是一个挑战。
基于此，浙江工业大学林丽利教授、北京大学马丁教授、中科院山西煤化所/中科合成油温晓东研究员、浙江大学廖祖维教授等人报道了纳米氧化物负载于金属镍载体的反相催化剂用于低温甲烷化反应。通过碳化硅稀释消除反应热点的影响，最优CeZrOx/Ni反相催化剂可在200 ℃的低温以及常压15000 mL/gcat/h的高空速下实现90%近平衡的高CO2转化率，甲烷选择性超过99%；在180 ℃的超低温度下该催化剂活性（137 mmolCH4/gcat/h）可以打破目前最先进的低温Ru基甲烷化催化剂的活性记录（110 mmolCH4/gcat/h）。
研究证实，反相CeZrOx/Ni催化剂具有优异的抗热、抗水、抗升降温波动稳定性。动力学分析、原位红外光谱和密度泛函理论（DFT）计算揭示了反相催化剂的优异性能可以归因于更加匹配的表面碳氢物种覆盖度，并且反相催化剂还可以额外通过低能垒CO路径将CO2加氢为甲烷，有效防止CO中间体毒化催化剂活性位点。反相Ni基催化剂所驱动的低温高效甲烷化工艺充分利用低温高CO2平衡转化率的优势，显著降低过程中的催化剂装填量以及CO2解吸和循环的能耗，可有效降低固定资产投资以及甲烷生产成本。因此，基于反相Ni基催化剂的低温高效绿色甲烷合成路线可以更好地提升过程的经济性，发挥节能减排降碳优势，在实际过程中具有巨大的应用潜力。
Engineering MOx/Ni inverse catalysts for low-temperature CO2 activation with high methane yields. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-024-00122-5.
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串联反应器和CO2转化反应
二氧化碳（CO2）增值是一种很有希望的途径，可以减少化学领域的温室气体排放，减少化学制造业对化石燃料原料的依赖。基于此，美国哥伦比亚大学陈经广教授（Jingguang G. Chen）和Zhenhua Xie等人展望讨论了可持续CO2转化的串联催化范例，与使用单一功能催化剂的过程相比，串联催化范例具有潜在的优势。接着，作者介绍了在单反应器中使用多功能催化剂进行串联催化的最新进展，以及多催化剂串联催化的最新进展。最后，作者提出了进一步发展热化学和电化学过程在各种配置下的串联策略的机会，以鼓励这一新兴领域的研究。
Tandem reactors and reactions for CO2 conversion. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00020-2.
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分析电池工程中的非共价电化学
尽管非共价键相互作用无处不在，但主要是那些可以进行光谱分析的相互作用，在化学工程中得到了很好的研究和应用。因此，需要新的原理和技术来表征非共价相互作用，以深入了解其详细性质并探索其潜在的应用。
基于此，美国西北大学J. Fraser Stoddart和清华大学张强教授等人介绍了分析非共价电化学的实践，以探索这种相互作用。非共价相互作用的强度可以通过电化学手段比依靠光谱测量更准确地确定。具体而言，电化学分析能够记录/识别次要信号，从而发现意想不到的2: 1主-客体复合物。此外，该技术能够探测多种性质，并有助于设计和筛选活性配合物作为催化剂。作者还演示了在可充电电池中实现495 Wh kg-1的高能量密度。分析过程为超分子科学提供了一个新的视角，使非共价化学更接近实际应用。
Analytical noncovalent electrochemistry for battery engineering. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-024-00038-0.
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反应工程角度看全固态Li-S电池
全固态锂-硫（Li-S）电池因其潜在的高能量密度、成本效益和安全运行而成为一种前景广阔的储能解决方案。深入了解固态硫氧化还原反应对于推进全固态锂硫电池技术至关重要。特别的，固态硫的关键电化学反应与液态硫的电化学反应截然不同，但目前仍缺乏对这些方面的研究。基于此，加州大学洛杉矶分校李煜章教授、西安大略大学/宁波东方理工大学（暂名）孙学良院士和王长虹等人通过深入研究固态硫的基本氧化还原机制，对全固态Li-S电池进行了基本概述，并特别强调了关键的反应工程原理，如质量传输、电化学动力学和热力学。
首先，作者介绍了全固态Li-S电池的基本概况，讨论了与液态电解质Li-S电池相比，目前对其基本氧化还原机制的理解。然后，从质量传输、电化学动力学和热力学等关键反应工程学原理的角度讨论了固态硫的电化学反应，从而论证了全固态Li-S电池的氧化还原机制可能比目前所认识到的要复杂得多。作者重点介绍了有助于加深对固态硫理解的研究，并指出了该领域尚未解决的关键问题。最后，作者重点介绍了各种表征技术，这些技术可用于探测和阐明固态硫在不同长度和时间尺度上的转化机制。
All-solid-state lithium-sulfur batteries through a reaction engineering lens. Nat. Chem. Eng., 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-024-00079-5.
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来源：华算科技
