促进变革

如果没有酶，没有生物催化剂，宇宙中的每一个生物化学过程都不可能缓慢。如果没有消化道和细胞中存在的酶，即使是看似简单的消化和加工糖的过程也需要数百万年的时间。除了天然催化剂外，我们还在工业中使用它们。尽管我们对其工作原理的了解有限，但许多制造过程都在大规模地使用人造催化剂。该行业在全球范围内价值数百亿美元，间接负责数千亿美元的商业和维持数十亿人的生命。像人造黄油这样的日常家用产品需要催化剂来生产，如果没有汽车上的铂基催化转换器，街道就会充满危险的一氧化碳和氮氧化物烟雾。然而，催化剂起作用的机制仍在研究中。

为了使化学反应发生，并成功地将反应物转化为产物，它需要经过一个中间点。这个中间点是一种不稳定的化学物质，被称为“过渡态”，它代表了反应分子在重新排列成最终产物之前聚集成一个单一的分子。任何反应的速度都取决于过渡态形成的难易程度，而过渡态形成的难易程度又取决于反应分子碰撞时的速度和方向。催化剂可以通过两种方式加速化学反应。首先，通过提供一个新的过渡态，它需要更少的能量来达到，或者通过稳定现有的过渡态，从而导致更多的分子碰撞，然后重新排列形成产物。

大多数工业催化剂由固体金属片或网组成，反应分子可以粘在或吸附在上面。金属表面的吸附会拉伸和弯曲反应分子中的键，促进它们重新排列成所需的产物。例如，通过氢化过程将不饱和脂肪转化为饱和脂肪，使用粉末状镍催化剂，氢分子与之结合、拉伸，然后分离成高活性的氢，加速它们与不饱和脂肪分子的结合。

工业上，催化剂分为两类:非均相:催化剂和反应处于两种不同的状态，例如液体和固体;均相:催化剂和反应都处于同一状态，例如两者都是液体。非均相催化剂通常以固态形式出现，通常为细网或粉末，以增加表面积，日常催化转换器中发现的铂/钯网。化学和形状选择性不太重要的简单反应通常使用多相催化剂，因为它们易于使用:从固体催化剂中分离液体或气体反应物很简单，允许催化剂以经济有效的方式重复使用。均相催化剂与反应混合物处于相同的状态，通常为液体，具有对产物形状和化学性质的优良控制的主要操作优势。这些优势的代价是成本的大幅增加，因为从反应物/产物混合物中分离催化物种固有的困难。一般使用的过渡金属，例如四羰基镍，是工业中使用的毒性最大的物质之一，对人和环境也往往具有很高的毒性。

催化剂的长期安全性也在很大程度上取决于它对环境的影响，从长远来看，它对整个社会的影响。哈伯-博世催化剂被认为拯救了大约25亿人的生命通过将大气中的氮转化为一种廉价且易得的肥料来源来饥饿。然而，这25亿人本身造成了财富和资源的巨大差距，使全球粮食供应处于不稳定的境地。与人口激增相关的二氧化碳排放量的大幅增加也不容忽视。由于藻华等问题，这一过程对肥沃农田周围的生态系统造成了严重的长期破坏。还有一项并非完全不合理的指控，哈伯-博世工艺将第一次世界大战延长了至少两年，因为它为炸药提供了廉价而丰富的固定氮源，作为鸟粪的替代品，鸟粪是一种从动物粪便中提取的天然肥料，以前由智利和秘鲁垄断。

哈伯-博世过程可以告诉我们的是，工业催化剂是一种异常强大的工具，但会带来不可预测的、潜在的破坏性后果;因此，对促进可持续和无害环境经济的催化剂的需求日益增长。近几十年来，利用人工光合作用(植物如何将阳光转化为能量)发电一直是大量研究的主题，而寻找一种合适的光分解水的催化剂(光解)，以便为燃料电池提供氢，是这一过程的关键部分。许多催化研究都集中在染色二氧化钛(TiO₂)，一种廉价而常见的金属氧化物，也可用作白色油漆。人们发现，这种原本不起眼的材料在光合作用细胞的条件下非常稳定，并且在阳光照射下会产生电流。染色的二氧化钛也可能是制造自洁材料的关键，因为暴露在阳光下可以使表面像清洁剂一样，并可能减少大气污染，因为在某些情况下它可以分解消耗臭氧的有机污染物。

催化的未来看起来很有希望。随着我们对它们理解的加深，催化途径的新设计可能会出现，有可能为清洁、可持续的化学工业铺平道路。然而，一如既往，是利用这些发展的方式将决定谁真正从中繁荣起来。