9月30日，复旦大学刘智攀教授应邀来到上海有机所，为有机所科研人员作了“70周年所庆系列学术讲座” 报告，题为“机器学习计算模拟新方法及其在化学反应中的应用”。报告在君谋楼报告厅举行，由游书力研究员主持。
　　刘智攀指出，如何设计高效专一的催化材料一直是物理化学的基本问题。其中，对于催化剂的结构以及催化活性位的表征和深度理解，是通向催化剂理性设计的关键。刘智攀在报告中介绍了其基于全局势能面的机器学习神经网势函数，并结合随机势能面行走全局搜索算法(SSW)，产生了高质量的神经网络势能拟合训练集，并基于这些研究开发出了具备较完整功能的大规模原子模拟软件包LASP。为了让听众更好地理解计算模拟方法对化学反应的指导作用，刘智攀列举了通过机器计算来模拟和预测化学实验的生动案例。报告最后，刘智攀还与在场的科研人员一起畅想了人工智能化学的未来。
　　刘智攀的报告聚焦化学领域新趋势，为有机所的科研人员带来了全新的思路和启发。报告结束后，刘智攀与在场的科研人员进行了热烈的讨论，并一一回答了现场听众的提问。最后，在热烈的掌声中，本次所庆系列学术讲座圆满结束。

刘智攀教授领衔的项目“复相催化反应理论新方法和机理预测”荣获2019年度上海市自然科学奖一等奖。该项目创新和发展了系列新理论方法和模拟算法，包括固液界面周期性溶剂化方法，约束过渡态优化反应搜索方法等，同时结合从头算热力学、动力学、统计力学等理论手段，建立了一套高效的理论催化研究框架，理论预测了系列重要催化反应过程的机理，推进了催化学科进展。

金属氧化物合金(AxByOz)的成分(A B比)发生微小变化表现出截然不同的催化性能。近日，复旦大学刘智攀团队发现三元氧化锌铬(ZnCrO)催化剂在合成气(CO/H2)转化过程中的活性和选择性强烈依赖于ZnCr比。作者构建了一个Zn-Cr-O热力学相图，揭示了稳定组成小岛（其中Zn: Cr: O = 6:6:16至3:8:16）的存在，其中氧化合金结晶成尖晶石相。将Zn:Cr比例由1:2改为1:1，形成氧空位的能力明显增强并从表面延伸到内部，这与之前的实验结果一致。这导致关键的四平面配位的Cr2+阳离子的存在，其显著影响合成气的转化活性和对甲醇的选择性。

Sicong Ma, Si-Da Huang, Zhi-Pan Liu. Dynamiccoordination of cations and catalytic selectivity on zinc–chromium oxide alloys during syngas conversion. Nature Catalysis, 2019.

DOI: 10.1038/s41929-019-0293-8

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0293-8

刘智攀教授研究团队通过势能面搜索新方法确定层状MnOx裂解水活性位

       近日，刘智攀教授与李晔飞青年研究员，在氧化水条件下的动态结构相变及其催化活性的研究中取得了新进展。研究人员通过自主研发的表面随机行走算法（SSW）对Mn3O4在电化学条件下原位的结构相变进行研究，阐明了相变过程中可能产生的缺陷结构及其对于氧化水催化活性的影响。该工作是继MnO2层状到交联结构相变研究(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5371)之后，该课题组在MnOx材料结构领域的又一个重要突破。该研究成果以“Active-Site Revealed for Water Oxidation on Electrochemically Induced -MnO2: Role of Spinel-to-layer Phase Transition”为题发表于重要化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 140, 5, 1783-1792）。

       自从在自然界中发现PSII光催化氧化水系统以来，寻找活性MnOx材料作为人工水分解催化剂的研究已经有很长的历史了。大量文献报道表明，常见的MnOx晶型（比如α-，β-，δ-MnO2）在酸性或者中性pH值条件下氧化水活性很低。而最近的研究表明，在电化学条件下从尖晶石Mn3O4相上原位产生的层状δ-MnO2相结构具有远超其他MnOx材料的氧化水活性，但是对其内在原因还没有一个清楚的理论解释。在本研究中，采用SSW路径取样方法，研究人员首次阐明了在含水电解液中尖晶石Mn3O4到层状δ-MnO2固-固相变的原子级别机制。研究人员发现H0.5MnO2相是在高电压条件下（> 1V）发生相变的前驱体，它随后经历固-固相转变之后产生层状δ-MnO2相。其相变过程中会伴随着Mn离子的溶解，错位，以及水分子、阳离子层的嵌入，并导致缺陷结构的产生。使用第一原理计算，研究人员发现了一个特殊的缺陷结构，即含Mn离子空位的δ-MnO2相层状边缘，其可以显著增强边缘位的氧化水活性。该缺陷位的理论过电位只有0.59V，比无缺陷的δ-MnO2边缘低了近0.2V。这样的一个活性增强效应是由于其形成了一个缺角的Mn4O4立方烷结构。这种有缺陷的立方结构与PSII系统中的CaMn4O4团簇在多方面具有相似的几何和电子特征。该工作不仅显著地加深了对于Mn3O4材料结构-氧化水性之间构效关系的理解，同时也在氧化水新催化材料的设计提供了新思路。

       该研究工作得到了国家自然科学基金（21533001, 91545107, 21773032, 91745201）, 上海市科委(08DZ2270500), 上海市教委（东方学者）等项目的资助。

2018国家重点研发计划“纳米科技”重点专项（第一批）

项目编号        项目名称        项目牵头承担单位        项目负责人        中央财政经费 （万元）        项目实施周期 （年）
2018YFA0208600        基于机器学习势函数的纳米材料催化动态模拟与理性设计        复旦大学        刘智攀        1360        5