单原子催化领域新突破|新国大苏研院吕炯团队发表最新科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）能源与环境纳米科技创新平台高级研究员吕炯及团队成员在国际学术期刊《Nature Communications》上发表研究成果。研究通过“锚定-借用”策略，结合晶面工程，成功开发出一种新型“巧妙单原子催化剂”（Artful Single-Atom Catalysts, ASACs），该成果为精细化工和药物合成领域提供了一种创新的高效催化体系，具有重要的科研价值与应用潜力。

研究背景

过渡金属催化的交叉偶联反应是有机合成的基石，在精细化工和制药工业中起着至关重要的作用。近年来，单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）是一种新型的固态催化剂，因其独特的结构特性而备受关注。SACs不仅能够实现金属原子的最大化利用，而且提供了明确、活性高的反应位点，在很大程度上结合了传统均相催化与异相催化的双重优势。然而，传统SACs由于配位空间受限和反应活性不足等因素的影响，在多级有机交叉偶联反应中的应用仍面临重大挑战。

研究结果

为应对上述挑战，吕炯团队创新性地提出了“锚定-借用”策略，结合可还原金属氧化物载体的晶面工程，构建出一种具备电子调节能力的ASACs。其核心理念是将金属单原子锚定于特定金属氧化物晶面，利用从周围“借用”的氧原子作为锚点，同时将金属氧化物作为电子储存库，实现反应过程中的电子动态平衡。这样的设计使催化结构具备自适应能力，避免传统反应中对金属本身复杂电子变化的要求，从而显著降低反应能垒。

研究团队以CeO₂(110)为载体，构建出Pd₁-CeO₂(110) ASAC催化剂。实验结果表明，该催化剂即使在面对反应性较差的底物（如芳基氯化物和复杂杂环化合物）时，仍表现出极高的反应活性。同时，其在反应产率、稳定性和周转数（TON）方面均显著优于传统催化剂。

▲可还原催化剂载体上巧妙单原子催化剂（ASACs）的设计示意图

应用前景

这种巧妙单原子催化剂制备过程简单，具备良好的规模化生产潜力，可与高速循环流动合成技术结合，适用于多种具有生物活性的重要化合物、药物中间体及活性药物成分（APIs）的高效合成，在药物合成和可持续精细化工生产方面展现出巨大潜力。