构建加氢/脱氢反应体系中纳米催化剂的“结构-活性”关系

化学工业中80%的反应与催化过程有关，催化过程直接或间接的贡献了全世界GDP的35%。多数催化反应是涉及过渡金属颗粒的多相催化过程，而不同形貌和大小的催化剂颗粒会显著地影响反应活性。因此，根据纳米催化剂的结构准确而快速地预测催化反应活性，构建“结构-活性”关系 (structure-reactivity relationship) 是理论与实验研究中的重要课题。

催化剂的活性主要由能量参数决定，得益于密度泛函理论（DFT）的发展，基于固体表面的DFT计算成为了获取表面基元反应能量参数的常用手段。得到基元反应能量参数后，通过微动力学模拟（例如平均场速率方程（RRE），动力学蒙特卡洛（KMC）等）可以获得包括反应速率在内的动力学性质。目前理论研究多集中于“结构-能量”关系的研究，而由于纳米颗粒表面结构复杂，不同位点间存在耦合，建立直接的“结构-活性”关系则更为困难。

复旦大学徐昕教授（点击查看介绍）课题组发现，对于VIII族及IB族过渡金属而言，H原子的吸附能对吸附位点不敏感，因而在以加氢/脱氢反应为决速步骤的反应体系中，可以简单地利用单吸附位点描述反应动力学性质，直接构建“结构-活性”关系。通过不同位点活性的加和，可以得到催化剂颗粒的整体活性，进而准确高效地预测不同形貌和粒径纳米颗粒的动力学性质。作者通过Cu纳米颗粒上水汽变换反应的研究，阐明了该方案的可行性、效率及精度。这一进展可以大幅提升催化剂理性设计与高通量筛选的效率，有效地拓展第一性原理方法，在多相催化研究中的应用范围。

图1. 以广义坐标（GCN）为描述子构建加氢/脱氢反应体系中的“结构-活性”关系流程图

图2. 三次曲线拟合不同温度下的GCN-活性关系

图3. GCN-TOF模型预测结果与动力学蒙特卡洛（kinetic Monte Carlo, KMC）模拟结果的对比

表1. GCN-TOF模型预测表观活化能(kcal/mol)与大粒径纳米颗粒实验值对比。

这一工作近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，通讯作者为复旦大学徐昕教授，第一作者为复旦大学的申同昊博士和博士研究生杨宇琦。

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Structure-Reactivity Relationship for Nano-Catalysts in the Hydrogenation/Dehydrogenation Controlled Reaction Systems

Tonghao Shen, Yuqi Yang, Xin Xu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202109942

作者介绍

徐昕，复旦大学化学系教授，国家杰出青年基金获得者，长江特聘教授。1985年厦门大学化学系学士；1991年厦门大学化学系博士，1991-1993中国科学院福建物质结构研究所博士后；1993年厦门大学化学系副研究员；1995年被破格提升为研究员；1998年被评为博土生导师，2010年起复旦大学教授。先后在日本京都大学、美国加州理工学院、法国里昂高师等地访问工作。

主要从事密度泛函理论及其应用研究。自参加工作以来，主持和参与承担973项目课题，国家基金重大、重点和面上等各种科研课题二十余项。研究方向涉及多相催化、均相催化、生物体系、纳米体系以及理论方法发展等方面。迄今已发表SCI学术论文200余篇，国内外学术单位及会议邀请报告200余次。

曾获中国化学会青年化学奖、霍英东青年教师奖励基金、教育部首届青年教师奖励基金、福建省闽江学者等。研究成果《密度泛函理论新进展》获2019年教育部自然科学奖一等奖。最近，他被遴选为ACS旗舰开放获取期刊JACS Au六位副主编之一，全面负责全球所有的与理论相关的稿件。

https://www.x-mol.com/university/faculty/9634