鞏金龍/趙志堅綜述：理論計算研究深入理解單原子催化

2020-09-04 讀懂科學

原子分散金屬的單原子催化劑（SAC）是一種新型的非均相催化劑，由於其具有100%的金屬原子利用率，且與傳統負載的納米顆粒催化劑相比表現出優異的催化性能，因此引起了廣泛的關注。然而，由於單個原子的孤立性，通過常用的表徵方法探索SACs的活性位點和催化機制具有一定的挑戰性。因此，採用理論計算來確定SAC活性位點的性質和反應機理特別有意義。近年來，對SACs的研究已經較為深入，並取得了很大的進展，已發表了許多出色的研究和評論。例如，構建了一系列原子分散在Cu、Ag、Au金屬基體中的鉑族金屬(PGM)。基於DFT和動力學蒙特卡洛（kMC）模擬的結合，全面探討了CO中毒和催化劑穩定性等問題。

有鑑於此，天津大學鞏金龍教授、趙志堅等人，從對SAC的幾個重要應用的計算仿真開始，通過概述SAC的各種應用和性能描述了SAC的性質；然後討論了SACs的獨特的和最基本的特性。最後概述了SAC的理論計算研究所面臨的挑戰和未來前景。

本文要點

要點1. 首先詳細討論了SAC的獨特特性，特別是動力學，SAC與載體的強相互作用以及電子變化，並對SAC理論研究的前景進行了展望。然後，從理論計算的角度，重點研究了SAC在不同反應中的催化機理。

要點2. 探索催化機理的實質是對催化劑活性位點的合理認識，SACs也不例外。SAC定義為表面僅含有孤立的單金屬活性位點的負載型金屬催化劑，而單金屬原子被認為是相關反應中的催化活性中心。由於單金屬原子與載體的相互作用以及載體的多樣性，SACs參與催化反應的活性位點的真實成分仍然不明確。與單活性中心僅包含一種活性中心的單活性中心催化劑不同，與單金屬原子配位的原子極有可能作為共催化活性位點參與反應，甚至一些研究證明了這一點。關鍵的催化特性也由相應的載體確定。然而，在催化反應過程中，單金屬原子的配位環境複雜、不均勻、動態，使得活性位點難以確定。

要點3. 構建更逼真的仿真模型是探索SAC催化活性本質的不可忽略的方面。純SAC幾何結構的清晰性為理論仿真提供了理想的模型。結合相關的實驗表徵，通過確定單個金屬中心的局部配位環境，可以方便地構建基本理論模型。通常，理論模擬的主要過程是在理想條件下進行的，例如超高真空。然而，確定符合實際實驗條件的反應機理對於探索SAC也是至關重要的。實際上，實際的反應氣氛很複雜，其中包括反應物，環境分子，pH值和溶劑化問題。環境與反應中間體之間的相互作用在催化機理的探索中起著重要作用。另外，在催化相應反應期間SAC的重構也是一個不能忽視的問題。

Lulu Li et al. Theoretical insights into single-atom catalysts. Chem. Soc. Rev., 2020.

DOI: 10.1039/D0CS00795A

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