記者2日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校路軍嶺教授團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)同行合作,，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(jì)中,。研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了前線分子軌道理論在多相催化中的實(shí)驗(yàn)佐證與突破性應(yīng)用,。相關(guān)成果在線發(fā)表在國際期刊《自然》上,。
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(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),，在多相催化,、能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景,。自中國科學(xué)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。
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(jìn)行解析和設(shè)計(jì)催化劑,，而是習(xí)慣性地把催化劑的活性/穩(wěn)定性與實(shí)驗(yàn)上測得的金屬原子價(jià)態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。目前,，仍然缺乏一個(gè)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。
研究團(tuán)隊(duì)在14種半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了對載體最低未占分子軌道(LUMO)能級位置的精準(zhǔn)調(diào)控，并利用紫外可見吸收譜和莫特-肖特基(Mott-Schottky)測試,，實(shí)現(xiàn)了對其LUMO能級位置的精準(zhǔn)測量,。他們利用高分辨電鏡確認(rèn)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(jià)態(tài)逐步升高,，與納米氧化物的電子相互作用逐步增強(qiáng)。
研究發(fā)現(xiàn),，當(dāng)氧化鋅,、氧化鈷等載體尺寸降至納米級時(shí)，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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，上述鈀單原子催化劑的活性與其價(jià)態(tài)并無直接關(guān)系,，而與實(shí)驗(yàn)上測得的載體LUMO能級位置呈線性關(guān)系,。
研究人員表示,，該研究為高活性、高穩(wěn)定性單原子催化劑設(shè)計(jì)提供了一個(gè)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(jìn)程,。
