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、武晓君团队联合中国科学院大连化学物理研究所副研究员杨冰，创新性地将前线分子轨道理论引入单原子催化剂设计中，成功研发出兼具高活性和高稳定性的单原子加氢催化剂，实现了前线分子轨道理论在多相催化中的实验佐证与突破性应用。该项研究为高活性、高稳定性单原子催化剂设计提供了一个全新的理论模型，有望为人工智能高通量筛选催化剂奠定新的理论基础，并大幅度加快高活性、高稳定性催化剂的开发，缩短其工业化应用进程。4月2日，相关成果在线发表于《自然》。
单原子催化剂中载体和金属原子的前线轨道相互作用的效果示意图。课题组供图
单原子催化剂凭借其最大化的金属原子利用率、量子化的电子结构及独特的物理化学性质，在多相催化、能源转化、环境治理及生物医学等领域展现出广阔应用前景。自中国科学家率先提出单原子催化概念以来，该领域已成为国际催化领域研究的前沿。
从本质上说，单原子催化剂的活性和稳定性分别是由金属-底物分子和金属-载体相互作用决定的。然而，现有研究很少在电子轨道层面上对该两组相互作用进行解析和设计催化剂，而是习惯性地把催化剂的活性/稳定性与实验上测得的金属原子价态进行关联。目前，人们仍然缺乏一个能够描述单原子催化剂活性和稳定性的统一理论模型。
该工作中，路军岭团队在14种半导体载体表面构建了34种钯单原子催化剂。他们通过调控载体种类与尺寸，实现了对载体最低未占分子轨道（LUMO）能级位置的精准调控，并利用紫外可见吸收谱和Mott-Schottky 测试实现了对其LUMO能级位置的精准测量。杨冰团队利用高分辨电镜确认了钯原子的原子分散状态。红外和光电子能谱表征则发现随氧化物尺寸的减小，钯原子的价态逐步升高，与纳米氧化物的电子相互作用逐步增强。
在乙炔选择性加氢反应中，研究发现当氧化锌、氧化钴等载体尺寸降至纳米级时，钯单原子催化剂的活性显著提升20倍以上，并展现出更优异的稳定性。进一步研究发现，上述钯单原子催化剂的活性与其价态并无直接关系，而与实验上测得的载体LUMO能级位置呈线性关系。
武晓君团队通过理论计算揭示了金属-载体及金属-分子间的前线轨道耦合内在机制，并证实了前线分子轨道理论在单原子催化中完全可行，为高活性、高稳定性单原子催化剂设计提供了一个全新的理论模型。
审稿人高度评价该工作，认为“这是一个令人激动的工作，通过实验和理论建立了金属-载体电子相互作用以及分子吸附强度的内在关联……是见过金属-载体电子相互作用讨论最为透彻的工作”，并认为“作者提出的观点非常吸引人”。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08747-z
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