动态单原子催化理论研究取得新进展

近日,我系李隽教授课题组在《美国化学会会志》上发表了关于氧化物负载的表面单原子催化剂设计和动态单原子催化机理的论文,揭示了有效调控单原子催化剂的稳定性及反应活性的规律。我系博士研究生刘锦程是该文的第一作者, 王阳刚博士为共同通讯作者。

鉴于对纳米催化剂进行原子分辨的原位表征十分困难,目前人们对催化剂在化学反应中的实际形态和活性位点的认识仍然十分有限。我系李隽教授课题组在国家自然科学基金的支持下,在该领域进行了深入探索,首次提出了“动态单原子催化”的新概念(相关工作见Wang, Y.-G. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10673; Nature Commun., 2015, 6, 6511; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10467)。在此基础上,他们通过构建基于化学势的热力学模型,结合密度泛函理论计算、从头算分子动力学模拟以及蒙特卡洛动力学分析,对单原子催化剂的稳定性及反应性进行了系统的研究。发现通过调控载体的种类、缺陷、反应气氛、温度、压力以及纳米粒子的尺寸等因素,可以有效地改善单原子催化剂的稳定性及其反应活性。该工作提供了一种设计稳定的表面单原子催化剂的普适思路,并对负载型纳米金催化剂的尺寸效应的内在原因给出了新的解释。

 

 

金颗粒在一氧化碳(CO)气氛下动态形成表面单原子的示意图

 

论文链接:Liu, J.-C.; Wang, Y.-G.; Li, J. “Toward Rational Design of Oxide-Supported Single Atom Catalysts: Atomic Dispersion of Gold on Ceria”, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6190-6199. DOI: 10.1021/jacs.7b01602