撰文：邱菁菁，

所屬專欄：研之成理催化俱樂部

Matthew W. Kanan

斯坦福大學副教授((Stanford University, associate professor)

Phone: +1 (650) 725-3451

E-mail: mkanan@stanford.edu

主頁：http://kananlab.stanford.edu/index.html

基本情況介紹：

Matt Kanan 本科畢業於萊斯大學（Rice University），在哈佛大學獲得有機化學的博士學位，師從David R. Liu, 其間獲得美國自然科學基金研究生獎學金（NSF graduate research fellow）。後來獲得NIH博士後獎學金在麻省理工學院（MIT）Daniel Nocera課題組從事博士後研究，2009年加入斯坦福大學（Stanford University）化學系，2017年評為終身教授 (tenured professor)。Kanan教授每個階段在不同的領域都發表瞭高水平的學術論文，博士期間在有機合成領域發表瞭一篇第一作者的Nature (Reaction Discovery Enabled by DNA-Templated Synthesis and In Vitro Selection，Nature 2004, 431, 545-549.)。博士後期間主要研究電催化的水氧化催化劑，合成瞭Co-Pi並進行瞭系統研究，研究成果分別以第一作者發表在Science, JACS以及Chem. Soc. Rev. 他在斯坦福的獨立研究最核心的部分是把水和CO2轉化為液體燃料，通過金屬氧化物衍生的多晶金屬（oxide-derived metals）作為電催化劑。

研究方向分類介紹：

1. 二氧化碳電催化還原

主要貢獻：1) 發現瞭金屬氧化物衍生的多晶金屬（oxide-derived metals）的晶界（grain boundary）作為電催化劑對於CO2還原成CO及醇類的活性和選擇性有很大影響。

背景基礎知識：如下圖所示，通過二氧化碳和水生成乙醇可以分解為水氧化和CO2還原兩個半反應。其中，二氧化碳還原需要12個電子和12個質子，難度較高，可以分解成兩個部分來完成，即CO2還原為CO, CO再還原為乙醇。已知的 CO2還原的金屬電極包括Au, Ag, Cu, Pd，Sn和Zn等。其中,在二氧化碳飽和的水中，Sn 催化的產物主要為甲酸，Au 催化產物主要為CO, Cu的催化產物則比較復雜。(Hori, Y. et al. in Modern Aspects of Electrochemistry, 2008, chapter 3) CO2還原反應的決速步為金屬電極轉移一個電子生成CO2·- 但是它在電極表面不穩定，所以需要比較負的電壓。

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傳統的金屬納米催化劑采用“bottom-up”合成法，表面相對有序穩定，Kanan組的策略是讓金屬顆粒表面產生應力（strain）,通過金屬表面氧化再電還原形成grain boundary.

2012年，課題組發表瞭3篇JACS, 報道瞭Sn, Cu, Au產生的金屬氧化物衍生的多晶金屬（oxide-derived metals）用於CO2電還原。以Au為例，和多晶Au相比，oxide-derived Au過點位低，還原成CO的選擇性高，同時中間物CO2·- 更加穩定。

2b583ca751a3d1107d9f7cc7101b9123圖片來自J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (49), pp 19969–19972

代表文章：

· J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (4), pp 1986–1989

· J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (17), pp 7231–7234

· J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (49), pp 19969–19972

2014年時，Kanan組又利用Oxide-derived Cu解決瞭Cu作為催化劑選擇性差的問題，在CO飽和的水中，將CO還原成多碳氧化物，該研究成果發表在瞭Nature雜志（Nature, 2014, 508, 504–507）。

在2015-2016年，課題組進一步研究oxide-derived Cu/Au，發現催化劑表面的grain boundary決定瞭催化劑的高選擇性，沒有grain boundary的Cu傾向於將水裂解成氫氣，而grain boundary的存在，可以將CO和水選擇性地還原成乙醇。

89562541981023813e33982717baf144圖片來自：ACS Cent. Sci., 2016, 2 (3), pp 169–174

代表文章：

· J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (14), pp 4606–4609）

· ACS Cent. Sci., 2016, 2 (3), pp 169–174

2017年，Kanan組與美國阿貢國傢實驗室（Argonne National Lab）合作，利用相幹x射線衍射成像（coherent X-ray diffractive imaging）原位表征瞭多晶金膜grain的生長，具體內容詳見Science， 2017，56(6339), pp. 739-742。

圖片來自：http://kananlab.stanford.edu/publications.html

評論：這一系列CO2還原催化劑的研究工作很系統，以制造活性位為目的出發，采用瞭oxide-derived金屬電極這一模型體系，深入研究瞭催化劑的活性，選擇性以穩定性，再從基礎表面化學的角度理解催化劑表面結構對於性能的影響。

2. 電場對於化學反應的影響

主要貢獻：1) 用場效應改變分子的dipole從而控制催化反應的選擇性

• The rearrangement of cis-stilbene oxide catalyzed by Al2O3 was studied in the presence of interfacial electric fields. The results support a field–dipole effect on the selectivity of the catalytic reaction. （J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (1), pp 186–189）

• An intramolecular reaction catalyzed by Rh porphyrins was studied in the presence of interfacial electric fields. The magnitude of the selectivity change was limited by the maximum interfacial charge density that could be attained before dielectric break down. （J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (30), pp 11257–11265）

題外話：用電場控制有機反應／非redox couple是個較為新穎的領域，研究比較少，但近兩年這個領域似乎開始受到更多的關註，筆者羅列瞭幾篇文章

· “Oriented electric fields as future smart reagents in chemistry”Nature Chemistry, 2016,8, 1091-1098.

· “Electric-field-assisted anion-π catalysis” JACS, 2017, 139, 6558-6561.

· “Electrostatic catalysis of a Diels-Alder reaction” Nature, 2016, 531, 88-91.

3. 其它工作

Kanan組還有研究有機催化，筆者知識有限，對於有機化學研究不多，列出他的兩篇代表作，供有興趣的讀者查詢閱讀

代表作：

· Nature，2016， 531, 215–219

· J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(11), pp 4035–4041

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