近日，我校化工學(xué)院、化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段學(xué)志教授、陳文堯博士等與挪威科技大學(xué)De Chen院士合作，探究了金屬納米催化劑的電子效應(yīng)，建立了包含表面吸附、活化態(tài)及關(guān)鍵物種覆蓋度等機(jī)理信息、可用于指導(dǎo)催化劑設(shè)計(jì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，架起了催化劑電子結(jié)構(gòu)與宏觀催化行為之間的“橋梁”。相關(guān)成果以“Molecular-level insights into the electronic effects in platinum-catalyzed carbon monoxide oxidation”為題發(fā)表在《自然—通訊》（Nat. Commun., 2021, 12, 6888）上。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)以催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為研究主線，以Pt/C催化CO氧化為研究體系，揭示了催化劑電子結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀催化行為的影響機(jī)制。采用球差電鏡、12CO-13CO同位素切換以及擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)分析對(duì)Pt催化劑的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析；采用X射線光電子能譜、X射線近邊吸收光譜以及電子順磁共振波譜分析對(duì)Pt催化劑的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析；通過同位素示蹤、DFT理論計(jì)算、穩(wěn)態(tài)同位素瞬態(tài)分析（SSITKA）等手段研究了Pt電子結(jié)構(gòu)對(duì)表面吸附、活化態(tài)和關(guān)鍵物種覆蓋度的影響（圖a）。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成員將催化劑表面吸附、活化態(tài)和關(guān)鍵物種覆蓋度與Pt的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)（圖b），定量描述碳載體表面化學(xué)性質(zhì)調(diào)變對(duì)負(fù)載Pt納米顆粒電子結(jié)構(gòu)及其催化反應(yīng)性能的影響規(guī)律。進(jìn)一步引入活性位數(shù)目（N）的影響，獲得了具有清晰催化機(jī)理（吸附-活化態(tài)及關(guān)鍵物種覆蓋度）、包含Pt催化劑活性位數(shù)量（N）和活性描述符（d）的納米動(dòng)力學(xué)模型（圖c），為理性設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)構(gòu)筑高效的金屬納米催化劑奠定了基礎(chǔ)。

該研究得到了袁渭康院士、周興貴教授等的悉心指導(dǎo)，同步輻射表征方面得到了上海光源姜政研究員等的大力支持。此外，該研究得到了國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目與優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、上海教委科研創(chuàng)新計(jì)劃自然科學(xué)重大項(xiàng)目、人力資源和社會(huì)保障部“博新計(jì)劃”、上海市“超級(jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃等項(xiàng)目的資金支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27238-z