中國科大提出單原子催化劑設(shè)計全新理論模型

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校路軍嶺教授團隊聯(lián)合武曉君教授及中國科學院大連化學物理研究所楊冰副研究員，創(chuàng)新性地將前線分子軌道理論引入單原子催化劑設(shè)計中，成功研發(fā)出兼具高活性和高穩(wěn)定性的單原子加氫催化劑，實現(xiàn)了前線分子軌道理論在多相催化中的實驗佐證與突破性應(yīng)用。該項研究為高活性、高穩(wěn)定性單原子催化劑設(shè)計提供了一個全新的理論模型，有望為人工智能高通量篩選催化劑奠定新的理論基礎(chǔ)，并大幅度加快高活性、高穩(wěn)定性催化劑的開發(fā)，縮短其工業(yè)化應(yīng)用進程。近日相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》（Nature）。

單原子催化劑憑借其最大化的金屬原子利用率、量子化的電子結(jié)構(gòu)及獨特的物理化學性質(zhì)，在多相催化、能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理及生物醫(yī)學等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。自中國科學家率先提出單原子催化概念以來，該領(lǐng)域已成為國際催化領(lǐng)域研究的前沿。

從本質(zhì)上說，單原子催化劑的活性和穩(wěn)定性分別是由金屬—底物分子和金屬—載體相互作用決定的。然而，現(xiàn)有研究很少在電子軌道層面上對該兩組相互作用進行解析和設(shè)計催化劑，而是習慣性地把催化劑的活性/穩(wěn)定性與實驗上測得的金屬原子價態(tài)進行關(guān)聯(lián)。目前，人們?nèi)匀蝗狈σ粋€能夠描述單原子催化劑活性和穩(wěn)定性的統(tǒng)一理論模型。

工作中，路軍嶺團隊在14種半導體載體表面構(gòu)建了34種鈀單原子催化劑。他們通過調(diào)控載體種類與尺寸，實現(xiàn)了對載體最低未占分子軌道（LUMO）能級位置的精準調(diào)控，并利用紫外可見吸收譜和Mott-Schottky 測試實現(xiàn)了對其LUMO能級位置的精準測量。楊冰團隊利用高分辨電鏡確認了鈀原子的原子分散狀態(tài)。紅外和光電子能譜表征則發(fā)現(xiàn)隨氧化物尺寸的減小，鈀原子的價態(tài)逐步升高，與納米氧化物的電子相互作用逐步增強。

在乙炔選擇性加氫反應(yīng)中，研究發(fā)現(xiàn)當氧化鋅、氧化鈷等載體尺寸降至納米級時，鈀單原子催化劑的活性顯著提升20倍以上，并展現(xiàn)出更優(yōu)異的穩(wěn)定性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，上述鈀單原子催化劑的活性與其價態(tài)并無直接關(guān)系，而與實驗上測得的載體LUMO能級位置呈線性關(guān)系。

武曉君團隊通過理論計算揭示了金屬—載體及金屬—分子間的前線軌道耦合內(nèi)在機制，并證實了前線分子軌道理論在單原子催化中完全可行，為高活性、高穩(wěn)定性單原子催化劑設(shè)計提供了一個全新的理論模型。