近日，我院郑南峰院士、赵仪教授和北京大学高毅勤教授等人合作在氢量子隧穿主导的多相催化加氢领域取得重要进展。相关成果以“Catalytic Hydrogenation Dominated by Concerted Hydrogen Tunneling at Room Temperature”为题，发表于美国化学会综合性旗舰期刊《ACS Central Science》。(DOI: 10.1021/acscentsci.5c00943)。
量子隧穿控制的化学反应被视为是继动力学控制和热力学控制之外的第三种反应范式。然而，在多相催化反应中关于隧穿效应的观测和机制研究十分有限。研究团队在前期工作（Science 2016, 352, 797-801; ACS Catal. 2024, 14, 11468-11476; Nano Res. 2024, 17, 228-234; Adv. Sci. 2025, e11391）基础上，以载体表面乙二醇配体配位原子级分散的钯基催化剂（Pd1/TiO2）作为结构明确的模型多相催化剂，揭示了氢的量子隧穿在室温下已可以主导催化加氢反应的进行。研究发现，在苯甲醛加氢反应中，质子型溶剂对于催化反应的进行至关重要。此外，当氢气（H2）和反应溶剂（CH3OH）同时进行同位素取代（D2, CD3OD）时，观测到超大的同位素效应（kH/kD≈2440）。系统研究表明，当质子型溶剂分子介于催化活性位点和反应底物醛之间时，形成的局域氢键网络有助于诱导发生氢的三重协同隧穿，即两个质子（H+）分别从催化活性位点的乙二醇配体转移到介导的溶剂分子和醛羰基的氧，另一个氢负离子（H-）从催化活性位点的单原子钯转移到醛羰基的碳。此外，由于质子型溶剂分子的参与可以改变隧穿势垒的宽度和高度，且远红外辐照可以激发氢键网络到更高的振动能级，因此本研究进一步通过溶剂效应和太赫兹光辐照实现了对氢隧穿概率的调控。本工作报道的弱相互作用及弱能量调控的量子隧穿过程在化学、物理和生命科学领域等具有重要意义。
该研究是在我院郑南峰院士、赵仪教授和北京大学高毅勤教授的共同指导下，历经十余年时间完成。实验部分由吴庆远副研究员（我院2018级博士），上海科技大学刘朋昕研究员（我院2010级博士）完成，理论计算部分由河南师范大学张霞光副教授（我院2015级博士）和2021级北京大学博士研究生范成完成。我院2024级博士研究生陈梓文参与了远红外实验，秦瑞轩教授参与了部分实验与理论计算工作。该研究得到国家重点研发计划（2023YFB4004600、2022YFA1504500），国家自然科学基金（92261207、22388102、22202164、22502162）、新基石科学基金、福建省自然科学基金（2023J05006、2024J09006）和中央高校基本科研业务费专项资金（20720230002、20720250005）等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acscentsci.5c00943
