催化作用导论
来源：Ryan Richards 博士实验室 — 科罗拉多矿业学院
催化是现代技术中最重要的领域之一，目前约占国内生产总值（GDP）的35%，并通过哈伯法生产的化肥维持了全球约33%人口的生存1。催化剂是通过降低活化能并影响反应选择性来促进化学反应的体系。催化技术将在应对当今时代的能源与环境挑战中发…
1. 制备与硼氢化钠混合的4-硝基苯酚溶液
- 称取14 mg的4-硝基苯酚，溶于玻璃小瓶中的10 mL去离子水中。
- 称取57 mg的硼氢化钠，溶于15 mL去离子水中。
- 将两种溶液混合，在室温下磁力搅拌30分钟，直至形成均匀溶液。实验过程中需穿戴实验服、护目镜和手套，作为标准操作防护措施。
2. 催化剂溶液的制备
- 分别称取10 mg的活性炭负载钯和颗粒碳负载钯。称取10 mg活性炭作为对照组。
- 将称量好的催化剂转移至小瓶中，并向每个小瓶中加入100 mL去离子水。
- 以135 W的输出功率超声处理小瓶10分钟，直至催化剂在水中充分分散。
3. 4-硝基苯酚的催化还原
- 量取 1.15 mL已配制的对硝基苯酚与硼氢化钠溶液，转移至一个 5-mL玻璃小瓶中。
- 记录小瓶中溶液的颜色，静置 10 min，观察并记录溶液颜色是否发生变化。
- 向小瓶中加入 1 mL已配制的负载型钯/活性炭催化剂溶液，手动振荡小瓶 20 秒。观察反应 20 分钟，记录溶液颜色开始变化的时间以及溶液颜色完全褪至透明的时间。
- 使用负载型钯/颗粒活性炭催化剂溶液重复上述相同操作步骤。
- 使用活性炭催化剂溶液重复上述相同操作步骤。
- 分别在反应时间为 0、5、10、15 和 20 分钟时，比较三种催化剂作用下溶液颜色的变化情况。为定量表征该变化，在 20 分钟反应期间内测定样品的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱。
催化剂是添加到化学体系中以促进化学反应更快进行并降低能耗的物质。
启动一个反应所需的最低能量称为活化能。催化剂提供了一条活化能较低的替代反应途径，从而使反应在较温和的条件下进行。活化能由阿伦尼乌斯方程描述。
酶是一类具有高度特异性的生物分子，可作为催化剂发挥作用。酶具有特定的空间构型，能够将被称为底物的反应物分子引导至最有利于反应发生的构象。均相催化剂与反应物处于相同的相态中，最常见的情况是催化剂和反应物均溶解于液相。在非均相催化中，催化剂与反应物处于不同的相态，二者被相界面所分隔。通常情况下，非均相催化剂为固体，由纳米尺度的催化单元（通常是金属纳米颗粒）分散在载体材料上构成。
载体材料通常为碳、二氧化硅或金属氧化物，用于增大表面积，并赋予纳米颗粒抗聚集的稳定性。在催化中使用的载体几何结构包括多孔膜和微珠、网状结构以及堆叠的片层。
在多相催化中，纳米粒子表面存在活性位点，反应即在这些位点上发生。根据反应的不同，这些活性位点可能是粒子表面的平面或晶面边缘。通常情况下，较小的纳米粒子具有更高的催化活性，这是由于每摩尔催化剂中表面原子的数量更多。
本视频将重点介绍催化作用的基本原理，并演示如何在实验室中进行基本的催化反应。
催化剂有多种类型。在高温下，分子运动速度加快，碰撞更加频繁。由于分子碰撞的比例更高，反应物具有足够的能量来克服反应的活化能。催化剂提供了另一种反应机理，能够在较低温度下提高有效碰撞的比例，从而降低完成反应所需的能量。催化剂可以参与多个化学转化过程，但在反应结束时其本身保持不变，因此可以回收并重复使用。
催化剂表面的反应始于反应物在活性位点上的吸附，随后发生表面反应。表面反应可发生于一个吸附物种与一个体相物种之间，称为Eley-Rideal机理；也可发生于两个吸附物种之间，称为Langmuir-Hinshelwood机理。随后，产物从表面脱附进入体相。
了解了催化作用的基本原理后，接下来我们观察使用负载在粉碎活性炭上的市售钯催化剂，将4-硝基苯酚还原为4-氨基苯酚的反应。该反应的进程将通过反应过程中发生颜色变化来进行测定。
开始实验前，务必穿戴适当的个人防护装备，例如实验服、护目镜和手套。准备材料时，首先称取14 mg的4-硝基苯酚，溶于玻璃小瓶中的10 mL去离子水中，配制成10 mM的溶液。接着称取57 mg硼氢化钠，溶于15 mL去离子水中，配制成100 mM的溶液。将两种溶液混合，并在室温下搅拌，形成均匀溶液。此时溶液颜色不应发生变化，因为在没有催化剂的情况下，硼氢化钠无法完全还原4-硝基苯酚。称取10 mg负载在活性炭上的钯，以及10 mg不含催化剂的活性炭作为对照样品。
将称量好的催化剂分别转移至不同的小瓶中，每瓶加入100 mL去离子水。使用输出功率为135瓦的超声波处理小瓶，直至催化剂在水中充分分散。
材料准备好后，即可进行对硝基苯酚的催化还原反应。量取1.15 mL已配制好的对硝基苯酚和硼氢化钠溶液，转移至一个5 mL的玻璃小瓶中。
观察并记录小瓶中溶液的颜色。向小瓶中加入1 mL已制备的活性炭负载钯催化剂溶液，用手摇动以混合均匀。
观察反应20分钟，记录溶液颜色开始变化以及完全褪去的时间。当所有颜色完全褪去时，反应即完成。
对活性炭对照溶液重复相同的步骤。随着反应的进行，溶液颜色由黄色变为无色，表明4-硝基苯酚被消耗。为了定量分析这一变化，需在400 nm处测定样品的紫外-可见吸收光谱。
绘制吸光度的自然对数与时间的关系曲线。随着反应的进行，吸光度逐渐降低，表明4-硝基苯酚被消耗。对照样品未显示出催化活性。
催化剂对广泛的工业和科学领域具有至关重要的意义。
在钯催化剂存在下，会发生碳-碳偶联反应，该反应被称为Heck反应。Heck反应被认为是过渡金属催化偶联反应的首个正确机理。该反应对现代催化领域极为重要，理查德·F·赫克（Richard F. Heck）因其发现而获得了诺贝尔化学奖。本实验中使用钯催化剂进行了Heck反应，催化剂在室温下合成。反应完成后，采用核磁共振波谱法（NMR）对产物进行了分析。
在自然界中，酶是能够催化多种生物反应的催化剂。例如，乙酸激酶是一种存在于微生物中的酶，可促进乙酸与乙酰磷酸之间的可逆转化。
采用紫外-可见分光光度法并结合标准曲线测定酶活性。
在整个反应过程中监测了乙酰磷酸的消耗量，并将酶动力学数据绘制成随时间变化的函数图。
聚合物是另一个可利用催化作用的领域。在此，合成了星形聚合物颗粒。
首先，在室温下制备并干燥催化剂。然后将聚合物支链与催化剂混合，再加入交联剂以形成颗粒。
随后采用凝胶渗透色谱法分析粒径。聚合物纳米颗粒（如本示例中制备的星形聚合物）可用于多种应用，例如药物递送和自组装。
您刚刚观看了 JoVE 关于催化作用的简介。观看本视频后，您应该能够理解催化作用的概念，以及如何在实验室中进行一个简单的反应。
感谢观看！
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Q1: What is activation energy and how do catalysts lower it?
Activation energy is the minimum energy required to initiate a chemical reaction. Catalysts provide an alternate reaction pathway with lower activation energy, enabling reactions to occur under less extreme conditions. This allows reactions to proceed faster at lower temperatures without being consumed in the process.
Q2: What is the difference between homogeneous and heterogeneous catalysis?
Homogeneous catalysts exist in the same phase as reactants, typically dissolved together in liquid. Heterogeneous catalysts are in a different phase, separated by a phase boundary. Heterogeneous catalysts are commonly solid metal nanoparticles dispersed on support materials like carbon or silica to increase surface area and prevent aggregation.
Q3: How do enzymes function as biological catalysts?
Enzymes are biological molecules that act as extremely specific catalysts. They are shape-specific and guide substrate molecules into optimal configurations for reaction. Enzymes enable a wide range of biological reactions, such as acetate kinase facilitating the conversion of acetate to acetyl phosphate in microorganisms.
Q4: Why do smaller nanoparticles have higher catalytic activity?
Smaller nanoparticles have higher catalytic activity because they contain more surface atoms per mole of catalyst. Active sites on nanoparticle surfaces, which may be planar faces or crystal edges, are where reactions occur. Greater surface area relative to volume increases the number of available active sites for reactants to interact with.
Q5: What happens during the surface reaction mechanisms in heterogeneous catalysis?
Surface reactions begin with adsorption of reagents to active sites. The Eley-Rideal mechanism involves reaction between one adsorbed species and one in bulk solution. The Langmuir-Hinshelwood mechanism involves reaction between two adsorbed species. Products then desorb from the surface into bulk solution, regenerating the catalyst.
Q6: How is the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol monitored in the laboratory?
The reaction progress is monitored through color change using nuclear magnetic resonance nmr spectroscopy for product analysis. UV-Vis absorbance is measured at 400 nm to quantify the consumption of 4-nitrophenol. Plotting the natural log of absorbance versus time shows the reaction kinetics, with complete color fade indicating reaction completion.
Q7: Why are catalysts important to modern industry and technology?
Catalysts account for approximately 35% of global GDP and sustain about 33% of the world population through applications like the Haber process for fertilizer production. They enable carbon-carbon coupling reactions such as the Heck Reaction, facilitate polymer synthesis, and support drug delivery applications. Catalysis is central to addressing modern energy and environmental challenges.