臭氧催化技術(shù)常用于空氣凈化、工業(yè)廢氣處理、污水處理等領(lǐng)域。在催化反應(yīng)中，催化劑的選擇對反應(yīng)的效率和反應(yīng)產(chǎn)物的選擇性都有很大的影響，那么具有臭氧催化的金屬或金屬氧化物有哪些呢？它們又有什么特點呢？

催化劑本身是搬運(yùn)工，只改變途徑，不改變結(jié)果。所謂吉布斯自由能<0反應(yīng)才能進(jìn)行。所以，它必須有結(jié)合-釋放物質(zhì)的能力，現(xiàn)代催化劑多是結(jié)合至少兩個反應(yīng)物，把他們拉到一起發(fā)生反應(yīng)，典型例子如偶聯(lián)反應(yīng)和不對稱氫化反應(yīng)。傳統(tǒng)催化劑有些是只結(jié)合或者活化一個底物就可以的。通常，金屬作為主要活性中心的催化劑有多種形式，可以表現(xiàn)為零價態(tài)的金屬催化劑、具有可變價態(tài)的金屬氧化物催化劑、離子形式的金屬配合物催化劑等等。

對于能做催化劑的金屬而言，一般需要其有較豐富的電子性質(zhì)，有較大容易變形的電子云，這樣利于接觸反應(yīng)物，同時松散的電子云也利于反應(yīng)的產(chǎn)物的離去。從機(jī)理上說，能作為催化劑的，需要滿足下面的條件。

1、軌道匹配, Ni，Rh，Ir等的d電子軌道能夠跟氫氣的成鍵軌道作用，可以發(fā)生氧化加成。

2、配位數(shù)立體構(gòu)型符合，加氫一般是順式進(jìn)行的，M-H跟C=C四個原子共平面，當(dāng)然，對于釕-雙膦雙胺及類似體系是H-M-N-H-O=C的六元環(huán)平面結(jié)構(gòu)。那么，要結(jié)合底物和氫氣，有時候還需要配體，至少需要4配位，而在催化不對稱氫化中，還需要有一定的立體構(gòu)型，平面結(jié)構(gòu)是不能滿足的，至少是五配位才可以，Ni，Rh，此外還有Ru，Ir，就是符合條件的典型金屬。而比如線性的Cu(I)，Au(I)則不適合。

3、從應(yīng)用上說，作為工業(yè)的非均相催化劑，高活性低耗散和不易中毒是必須的，還需要一定的機(jī)械性能，基本上能夠用于臭氧的，多數(shù)金屬單質(zhì)/金屬氧化物/金屬鹽的復(fù)合物，能夠滿足這些要求。均相催化劑一般而言比非均相催化劑活性稍差，只有Mn、Rh、Ru、Ti,一部分的Fe催化劑，能夠滿足高活性的要求，多應(yīng)用在附加值較高而需求量相對較低的手性化合物的生產(chǎn)中。

過渡金屬具備電子能級的“先天優(yōu)勢”，被認(rèn)為擁有氧化還原催化的專利，過渡金屬元素是指元素周期表的d區(qū)和ds區(qū)（d區(qū)元素包括周期IIIB~VIIB、VIII族的元素。不包括鑭系元素和錒系元素。ds區(qū)包括元素周期表的IB~IIB族。這一系列金屬元素，也稱為過渡金屬。一般來說，這個區(qū)域包括10到12族的元素，但不包括f區(qū)（元素周期表中的元素58-71稱為4f內(nèi)的過渡元素，元素90-103稱為5f內(nèi)的過渡元素，它們都是f區(qū)元素的內(nèi)部過渡元素）。

由于未填充的價層d軌道，過渡金屬與基于18電子規(guī)則的其他元素顯著不同。該區(qū)的許多元素在電子構(gòu)型中具有許多單電子（錳族尤為突出，d5構(gòu)型），因此更容易丟失，因此這些金屬具有可變的價態(tài)，以及一些（如鐵）各種穩(wěn)定的金屬離子。過渡金屬可以顯示高達(dá)+7（錳）和+8（鋨）的氧化態(tài)。前者是由于單個電子的存在，后者是由于高能級而松散的。高氧化態(tài)存在于金屬的酸或?；校ɡ?，VO43-釩酸鹽，VO22+釩基）。

過渡金屬Fe、Co、Ni（+2，+3價）、Mn（+2到+7價）、Pt、Pd、Ru等屬于化合價豐富，容易產(chǎn)生某些中間產(chǎn)物，具有較好的催化性能。這些金屬陽離子的d電子層容易失去電子或奪取電子，使得金屬及其氧化物具有較強(qiáng)的氧化還原性能。半導(dǎo)體性質(zhì)使它們在電子傳遞和能量轉(zhuǎn)換過程中具有獨特的優(yōu)勢。這種性質(zhì)有助于優(yōu)化催化反應(yīng)的效率，提高催化劑的活性。同時Co、Ni、Mn、Ru等金屬氧化物中金屬離子的內(nèi)層價軌道與外來軌道可以發(fā)生劈裂，這一特性使得過渡金屬催化劑在催化反應(yīng)中能夠表現(xiàn)出更多的活性位點和反應(yīng)路徑，從而提高了催化反應(yīng)的多樣性和選擇性。因此，過渡金屬氧化物催化劑在工業(yè)催化領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

科力邇研制的系列臭氧催化劑

盡管過渡金屬具有“天然的優(yōu)勢”，但同樣具有d電子的主族元素理論上也具有相應(yīng)的氧化還原活性，自然也有作為氧化還原催化核心的潛能。更重要的是，其反應(yīng)性同樣可以通過配體設(shè)計進(jìn)行調(diào)控，以實現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)率和選擇性的優(yōu)化。因此我們可以預(yù)想，主族元素參與氧化還原催化反應(yīng)的能力將會得到進(jìn)一步發(fā)展，甚至有朝一日，主族元素的催化能力可以和過渡金屬相媲美。

例如主族元素碘，具有多種穩(wěn)定價態(tài)，并且能夠和有機(jī)基團(tuán)形成“不穩(wěn)定”的共價鍵。這種共價鍵從某種程度可以視為一種特殊的配位鍵，因而碘具有氧化還原催化的潛力。

基于磷的不同價態(tài)的氧化還原電對的催化也逐漸得到發(fā)展，有研究者設(shè)計了一種三齒配體的三價膦催化劑。其空間構(gòu)型為T型，旨在模仿三齒配體的過渡金屬配合物膦催化劑能夠像過渡金屬一樣，在垂直于配體平面的區(qū)域進(jìn)行高效的共價鍵活化。除此之外，Bi金屬在配體的調(diào)控下也可以像過渡金屬一樣通過氧化態(tài)的變化來設(shè)計催化循環(huán)。

綜上所述，金屬配合物催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，特別是在氧化還原催化反應(yīng)中。過渡金屬因其獨特的電子結(jié)構(gòu)和豐富的價態(tài)變化，成為催化劑設(shè)計的首選。然而，隨著化學(xué)研究的不斷深入，主族元素在催化領(lǐng)域的潛力也逐漸被挖掘和利用。通過巧妙的配體設(shè)計和反應(yīng)條件的優(yōu)化，主族元素催化劑的性能有望進(jìn)一步提升，甚至在某些領(lǐng)域與過渡金屬催化劑相媲美。未來，隨著對催化機(jī)理的深入理解以及新材料的不斷涌現(xiàn)，催化劑的設(shè)計和應(yīng)用將更加多樣化，為化學(xué)工業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和突破。