徐昕课题组：加氢/脱氢反应体系中纳米催化剂的“结构-活性”关系

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在多相催化中，催化剂颗粒的尺寸和形貌会极大的影响催化活性，因此其结构-活性关系是多相催化研究中的核心问题之一。催化剂活性由表面电子结构决定，因而多数“结构-活性”研究都集中在构建“结构-能量”关系这一部分。从能量关系出发，通过求解微动力学模型，可以得到反应速率等动力学信息。对于多相催化中常见的纳米催化剂，目前最有效的微动力学模型是动力学蒙特卡洛模拟（KMC），但受制于计算量，其应用通常被局限于小粒径的纳米颗粒（<5nm）研究中。如果能够跨越DFT计算和KMC模拟步骤，直接构建催化剂表面活性位点的“结构-活性”关系，将大幅提升催化剂设计与筛选的效率，有力地扩展第一性原理在多相催化研究中的应用范围。

图1 a)构建“GCN-活性”关系示意图 b)三次多项式拟合纳米颗粒的“GCN-活性”关系

         近日，我系徐昕教授课题组（https://xdft.fudan.edu.cn）发现，对于加氢/脱氢步骤控制的反应体系，由于氢在金属表面的吸附能对吸附位点不敏感，可以建立单个吸附位点与反应活性的对应关系，且纳米催化颗粒的活性可以由各表面位点的活性相加得到。基于单位点模型，徐昕教授课题组对Cu纳米颗粒催化的水汽变换反应进行了研究，并对大粒径Cu纳米颗粒（500-1000nm）的活性进行了预测，其预测表观活化能与实验值偏差小于1.0 kcal/mol。研究结果还表明，即使对于大粒径纳米颗粒，其催化活性也不能简单等价于面位的活性，例如对于877nm的正方体颗粒，其棱位对活性仍有较大贡献。这一研究成果以“Structure-Reactivity Relationship for Nano-Catalysts in the Hydrogenation /Dehydrogenation Controlled Reaction Systems”为题发表在《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 26342–26345）。课题组成员申同昊博士与博士生杨宇琦为共同一作。该工作得到了国家自然科学基金（Grant 21688102）及国家重点研发计划(Grant 2018YFA0208600)的支持。
     全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202109942


      文章来源：复旦大学
      徐昕，复旦大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授。1991年于厦门大学获得理论化学专业博士学位，1991年至1993年在福建物构所从事博士后研究，1993年开始任厦门大学化学系副教授，1995年任教授；1996年至2003年期间任厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室副主任。2011年至今在复旦大学化学系工作。