中国科大提出单原子催化剂设计全新理论模型

中国科学技术大学教授路军岭、武晓君团队与中国科学院大连化学物理研究所副研究员杨冰合作，创新性地将前线分子轨道理论引入单原子催化剂设计中，成功开发出单原子加氢催化剂，兼顾高活性和稳定性，完成了前线分子轨道理论在多相催化中的实验证明和突破性应用。本研究为高活性、稳定性单原子催化剂的设计提供了全新的理论模型，有望为人工智能高通量筛选催化剂的开发奠定新的理论基础，并大大加快了高活性、短性、稳定催化剂的开发。

单原子催化剂中载体与金属原子前线轨道相互作用的效果示意图。研究小组提供图片

单原子催化剂以其最大化的金属原子利用率、量子电子结构和独特的物理化学特性，在多相催化、能源转换、环境改善和生物医学领域具有广泛的应用价值。自从中国科学家率先提出单原子催化的概念以来，这一领域已经成为国际催化领域研究的前沿。

本质上，单原子催化剂的活性和安全性是由金属-底物分子和金属-媒体的相互作用决定的。然而，目前的研究很少分析和设计电子轨道中这两组相互作用的催化剂，而是习惯性地将催化剂的活性/稳定性与实验中测得的金属原子价格状态联系起来。目前，我们仍然缺乏一个统一的理论模型来描述单原子催化剂的活性和安全性。

在这项工作中，路军岭团队在14个半导体媒体表面构建了34种钯单原子催化剂。通过调节媒体的类型和大小，他们完成了对媒体的最低分子轨道。(LUMO)精确调节能级位置，利用紫外可见吸收谱和Mottttt。-Schottky 测试完成了对其LUMO能级位置的精确测量。杨冰团队使用高分辨率电镜确定了钯原子的原子分散状态。红外线和光电子能谱表示，随着氧化物尺寸的减小，钯原子的价格状态逐渐上升，与纳米氧化物的电子互动逐渐增强。

在乙炔选择性加氢反应中，研究表明，当氧化锌、氧化钴等载体尺寸降至纳米时，钯单原子催化剂的活性明显增加20倍以上，表现出更好的稳定性。进一步研究发现，上述钯单原子催化剂的活性与其价格状态没有直接影响，而是与实验中测得的媒体LUMO能级位置呈线性相关。

通过理论计算，武晓君团队揭示了金属-媒体和金属-分子之间前线轨道藕合的内在机制，并验证了前线分子轨道理论在单原子催化中是完全可行的，为单原子催化剂的设计提供了一个全新的理论模型，具有高活性和稳定性。

审稿人对这项工作给予了高度评价，认为“这是一项令人兴奋的工作，金属-媒体电子的相互作用和分子吸附强度的内在联系是通过实验和理论建立起来的...这是最彻底的讨论金属-媒体电子相互作用的工作”，并认为“作者提出的观点非常吸引人”。