科研动态｜我校科研团队在智能纳米反应器领域取得重大突破

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成果发表于《Nature Nanotechnology》，开启级联催化新纪元

近日，内蒙古大学能源材料化学研究院赵东元院士、马玉柱教授、我院院长刘健教授联合吉林大学吕中元/朱有亮教授团队，在国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上发表题为“Paddle-like self-stirring nanoreactors with multi-chambered mesoporous branches for enhanced dual-dynamic cascade reactions”的研究论文。该研究基于团队前期提出的纳米液滴界面组装策略（Nat. Synth. 2024, 3, 236–244），面向纳米反应器结构-功能-应用之间构效关系匹配的关键科学问题（Nat. Rev. Chem. 2024, 8, 915–931.），首次提出“类行星式纳米反应器”创新概念，成功突破纳米尺度分子定向传质瓶颈，为智能催化系统设计开辟新路径。

研究亮点

多腔智能反应器的精准设计与功能突破

团队通过纳米液滴膨胀-融合策略，设计出具有分支多腔结构的桨状介孔纳米反应器（图1）。借助分步封装技术，将Fe₃O₄磁性纳米颗粒、Pd/Au催化中心及上转换NaGdF₄纳米颗粒精准植入特定腔室，实现单粒子水平上壳-室、上下腔及左右腔的活性位点分离。当Fe₃O₄纳米颗粒封装于分支首腔时，反应器在交变磁场下展现出独特的“自转-公转”行星运动模式（绕质量中心旋转），显著提升分子吸附效率和扩散动力学。

图1.分支桨状多腔纳米反应器的合成策略与结构表征

实验表明，基于Au-Pd壳层-内腔分离设计的自搅拌纳米反应器，其初始反应速率较传统宏观搅拌提升一个数量级（274 → 2859 mmol h^-1 mmol Pd^-1），目标产物产率从76.8%（选择性78.1%）跃升至95.4%（选择性96.4%）。通过调控Au-Pd活性位点间距，可定向优化分子扩散路径，实现产物选择性的精准调控（图2）。

图2.自搅拌效应与催化位点邻近效应对选择性的调控机制

机制突破

双动态驱动与定向传质

研究揭示了纳米反应器的双重增效机制：

1. 行星式动态搅拌：多个分支结构同步旋转形成“微转子阵列”，极大增强混合效率；

2.反作用力驱动传质：自转过程不仅促进分子自发扩散，更通过反作用力推动分子逆向迁移（低→高浓度），形成双动态传质模式。该机制显著提升中间体向次级活性位点（如Au位点）的定向迁移概率，从而优化反应路径并提高选择性。

学术价值与应用前景

本工作由内蒙古大学能源材料化学研究院马玉柱教授（第一作者兼通讯作者）、赵东元院士、我院刘健教授及吉林大学朱有亮教授共同指导完成，内蒙古大学为第一通讯单位。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

此项成果不仅为多室纳米反应器的可控合成与功能集成提供全新范式，更在能源催化、药物合成及微化工系统等领域展现出广阔应用潜力，标志着我校在介观材料设计与智能催化领域取得里程碑式突破。