來源：《中國科學報》第1版 要聞
發(fā)布時間：2025-04-03
本報訊（記者王敏）中國科學技術(shù)大學教授路軍嶺、武曉君團隊聯(lián)合中國科學院大連化學物理研究所副研究員楊冰團隊，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用。該研究為高活性、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)，并大幅加快高活性、高穩(wěn)定性催化劑開發(fā)，縮短其工業(yè)化應用進程。4月2日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》。
從本質(zhì)上說，單原子催化劑的活性和穩(wěn)定性分別由金屬-底物分子和金屬-載體相互作用決定。
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)，隨著氧化物尺寸的減小，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。
審稿人評價，“通過實驗和理論建立了金屬-載體電子相互作用以及分子吸附強度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，是我見過的金屬-載體電子相互作用討論最為透徹的工作”，并認為“作者提出的觀點非常吸引人”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08747-z
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