液态金属的动态“原子智能”催化

个人简介

唐俊马教授，国家级青年人才，2024年12月加入西安交通大学化学学院。唐俊马博士毕业于新南威尔士大学（UNSW），并先后于新南威尔士大学和悉尼大学（USYD）从事博士后研究工作，主要从事液态金属催化的研究工作。迄今，作为第一作者和/或通讯作者在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials等国际权威期刊发表代表性论文10余篇。唐俊马教授课题组现招收博士后2名，博士和硕士研究生数名，欢迎有申请意向的博士生、硕士生或本科生提前联系和咨询，联系时请将个人简历通过电子邮件发送（唐俊马邮箱：junma.tang@xjtu.edu.cn）。

唐俊马

研究内容概述

在特定的复杂反应体系中，固体金属催化剂通常面临着催化活性和选择性的局限性。固体金属催化剂活性位点原子处于相对固定的位置，在特定的催化反应中限制了反应物的吸附与反应路径的灵活性。同时，固体金属催化剂也面临着制备工艺复杂、活性原子结构不稳定，以及副产物的吸附失活等挑战。

液态金属表界面原子的动态无序排列使液态金属在催化领域展现出与固态金属显著的差异，同时带来诸多优势。相比于固体金属催化剂，液态金属原子组分具备液态特性、空间流动性和动态原子结构。理论上，液态金属具有以下优势：1）液态金属表面原子高度活跃，高熵液态原子可以增强表界面催化活性并提供更多的活性位点；2）动态金属原子具有一定的自适性，活性原子可以根据反应条件进行实时结构调整，活性原子可以根据反应条件进行实时结构调整，进而提高催化反应的选择性和效率；3）活性原子结构可以在催化表界面不断溶解与再生，在高温条件下不会破坏原子结构或发生烧结，具有优越的热稳定性。

目前，对于液态金属催化机理及应用研究仍处于初步探索阶段，并没有建立起关于液态金属动态催化的完整理论体系。为填补液态金属催化的理论空白并探索其应用潜力，唐俊马长期致力于液态金属的动态催化研究，在原子级别揭示了液态金属和固体金属催化的本质区别（Science, 2024, 385, 372-373），探究了液态金属原子动态自适性吸附催化机理（Nat. Nanotechnol., 2024, 19, 306–310; Nat. Nanotechnol., 2024, 19, 275–276），并验证了金属溶剂对于原子空间结构以及催化反应路径的影响（Nat. Commun., 2025, 16, 907）。

1. 液态金属原子的动态自适性

为了验证液态金属的“原子智能”及其动态自适性吸附催化机理，唐俊马团队探索了金属镓溶剂中不同金属原子的动态协同作用。研究发现，液态金属原子通过与反应物的动态结构匹配，形成了具备动态选择性的催化反应路径，进而实现了温和条件下可再生碳氢化合物向丙烯的高效高选择转化。

具体而言，利用锡和镍在金属镓溶剂中的动态单原子特性，实现了液态原子与反应物的动态构型匹配吸附，从而促进了丙烯的选择性催化转化（图1）。结合巴德电荷分析，X射线光电子能谱分析和Ab initio分子动力学模拟，验证了锡和镍在镓溶剂中的动态单原子分布。分子动力学模拟进一步揭示了碳氢化合物在催化剂表面的动态构型匹配、旋转以及化学键断裂过程。利用该动态催化机理，实现了可再生碳氢化合物菜籽油在150 ℃反应温度下向丙烯的可持续高选择性转化（~95%）。该工作不仅实现了丙烯的绿色可持续生产，其理论突破也为液态金属催化剂的研究提供了理论指导。

图1. 液态金属原子与反应物的构型匹配及动态催化机理。a,b)液态金属制备及其动态单原子分布。c）液态原子与反应物的动态构型匹配实现丙烯的选择性转化（Nat. Nanotechnol., 2024, 19, 306–310；Nat. Nanotechnol., 2024, 19, 275–276）。

2. 金属溶剂对原子构型的影响

目前，金属镓以其优异的物理化学性质，包括低熔点、无毒性和金属溶剂等特性，被广泛的用作液态金属催化剂的制备。通过金属活性组分的调控，即将不同金属组分溶解于液态金属镓溶剂中，可以实现不同的催化应用。然而，金属镓相对昂贵的价格限制了镓基液态金属催化剂的实际应用。此外，金属溶剂选择性的单一，在一定程度上影响了液态金属催化剂的多样性发展。

理论上，金属原子在不同的金属溶剂中将展现不同的原子分布及结构，其独特的原子构型将与反应物发生特异性结构吸附，最终实现不同的催化反应路径。因此，探索镓以外的并且相对价格较低的替代金属溶剂，不仅能够拓宽液态金属的应用范围，而且可以进一步提升液态金属催化剂的实用价值。

金属锡，由于其相对较低的价格、较强的催化活性、金属溶解性和较低的熔点，理论上可以作为金属镓的替代溶剂。在金属锡溶剂中加入适量的铜和铟，其合金在260 ℃条件下处于熔融状态，并且铜和铟在锡溶剂中呈动态单原子分布（图2）。

图2. 金属锡溶剂中活性原子的动态单原子特性及其特殊的原子分布（Nat. Commun., 2025, 16, 907）。

通过计算机模拟发现，金属原子在镓和锡溶剂中表现出不同的动态原子构型。这一原子结构差异导致反应物在不同催化剂表界面将产生不同的结构匹配吸附，进而导致特异的催化反应路径。碳氢化合物在液态镓合金表界面可以被高效的转化为丙烯。然而在液态锡合金表界面，由于特殊的原子构型和吸附，碳氢化合物可以被高选择性的转化为氢气（图3）。该工作验证了不同金属溶剂对催化反应路径的影响，并进一步拓宽了液态金属催化剂的设计及使用范围。

图3. 不同金属溶剂中的原子构型及其对催化性能的影响。

3. 液态金属的“原子智能”与优势

相比于固态金属，液态金属具有动态的原子排列能力，能够根据反应物特性重新配置表面原子，展现出“原子智能”，从而显著降低反应能垒并提高效率（图4）。

图4. 液态金属的原子智能及其催化优势。

液态金属催化剂通过在其表面形成动态活性位点，稳定中间产物并促进反应。这种特性使其不仅适用于常规化学反应，还可实现复杂的多步反应。研究表明，将贵金属和过渡金属掺入液态金属可以进一步优化其催化性能。此外，液态金属的高表面熵避免了金属原子的团聚问题，使其能提供高效的单原子催化活性。相比于固态催化剂，液态金属还具有更强的抗积碳和抗中毒能力，表面生成的固体副产物可自然脱落，确保活性位点持续可用。液态金属技术在绿色氢气生产、烷烃热解、微塑料分解等领域展现了巨大潜力。然而，液态金属反应的具体机制，如表面与体相的反应行为及元素的溶解和迁移规律，仍需进一步研究。

综上，液态金属催化剂凭借动态原子排列和高表面熵特性，为化工领域带来了颠覆性潜力。其灵活的活性位点配置使其在绿色化工应用中表现出色，同时具备实现多步反应集成的能力，大幅降低能耗和成本。未来研究可聚焦于开发低熔点高活性合金、探索液态金属的表面反应机制及内部原子行为，并通过先进表征技术和人工智能建模深入揭示其作用机理。此外，降低液态金属的提纯与生产成本、提高操作效率，将助力其在工业化应用中实现广泛推广，为化工行业的绿色转型提供新方向。

文章链接：

1. Tang, J.*, Christofferson, A.J., Sun, J. et al. Dynamic configurations of metallic atoms in the liquid state for selective propylene synthesis. Nat. Nanotechnol. 19, 306–310 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01540-x 

2. Tang, J.，Kalantar-Zadeh, K., Dynamicity of atoms in a liquid metal catalyst enables selective propylene synthesis. Nat. Nanotechnol. 19, 275–276 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01552-7 

3. Tang, J.*, Meftahi, N., Christofferson, A.J. et al. Molten Sn solvent expands liquid metal catalysis. Nat. Commun. 16, 907 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56222-0 

4. Kalantar-Zadeh, K., Daeneke, T., Tang, J.*, The atomic intelligence of liquid metals. Science 385, 372-373 (2024). https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adn5871