科研進展
蘭州化物所催化劑金屬表面應變效應定量標度關(guān)系研究獲新進展
在多相催化反應中，活性金屬表面的電子結(jié)構(gòu)對反應物分子的吸附與活化轉(zhuǎn)化起著關(guān)鍵作用。近年來的研究表明，通過對金屬晶格施加拉伸或壓縮應變，可有效調(diào)控其表面電子結(jié)構(gòu)，顯著改變反應物及關(guān)鍵中間體的吸附行為，進而實現(xiàn)對催化活性與選擇性的精準調(diào)控。目前，應變工程已成為設(shè)計高性能催化劑的重要策略。然而，不同金屬體系和不同吸附物對應變呈現(xiàn)出復雜且差異化的響應規(guī)律，至今仍缺乏可定量描述應變誘導能量變化的普適性標度關(guān)系，制約了高效催化劑的理性設(shè)計與精準構(gòu)筑。
針對這一關(guān)鍵科學問題，中國科學院蘭州化學物理研究所低碳催化與二氧化碳利用全國重點實驗室席永杰研究員團隊基于電負性對吸附物進行系統(tǒng)分類，并結(jié)合共價鍵合與離子鍵合的本質(zhì)差異，構(gòu)建了雙描述符線性標度關(guān)系，實現(xiàn)了在不同金屬表面上對應變調(diào)控下吸附物吸附能和基元反應能壘的定量預測。
圖1.雙描述符標度關(guān)系示意圖
研究團隊基于密度泛函理論（DFT）計算，對多種過渡金屬表面在不同應變條件下的吸附行為進行了系統(tǒng)研究。通過分析大量計算數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同吸附物在應變作用下的能量變化特征與其電負性密切相關(guān)。基于這一規(guī)律，團隊提出以CH吸附能變化代表弱電負性物種、以O(shè)吸附能變化代表強電負性物種的雙描述符模型，建立了（圖1）描述應變效應的線性標度關(guān)系。結(jié)果表明，該模型能夠準確預測多種吸附物在不同金屬表面和不同應變條件下的能量變化，其預測誤差顯著低于傳統(tǒng)單描述符方法。進一步研究發(fā)現(xiàn)，這一模型不僅適用于吸附能的預測，還能有效描述反應過程中關(guān)鍵步驟的能壘變化。研究人員對多種重要反應步驟進行了分析，包括C-C偶聯(lián)等基元反應等。結(jié)果表明，通過雙描述符標度關(guān)系可較為準確地預測反應能壘在應變條件下的變化，從而實現(xiàn)對整個反應路徑能量變化的定量描述。這為系統(tǒng)理解應變調(diào)控催化反應機理提供了新的思路。
團隊進一步引入機器學習分類方法，以ICOBI（晶體軌道鍵指數(shù)）和Bader電荷轉(zhuǎn)移量為特征，訓練支持向量分類器。五折交叉驗證表明分類器達到較高準確率，在不依賴電負性概念的前提下，從電子結(jié)構(gòu)層面揭示了共價鍵合與離子鍵合特性之間的區(qū)別是不同吸附物應變響應差異的物理本質(zhì)。
圖2.采用ICOBI和巴德電荷轉(zhuǎn)移法對應變效應的不同特性進行分類
該研究建立的雙描述符標度關(guān)系為多相催化中應變效應的定量描述提供了相對統(tǒng)一的理論框架，適用范圍涵蓋多種金屬表面、合金體系及不同應變幅度，并在訓練集之外的吸附物上同樣展現(xiàn)出良好的預測能力。該成果不僅深化了對應變效應微觀機制的理解，更為面向CO2轉(zhuǎn)化、氮還原及析氫反應等重要催化反應的高性能催化劑理性設(shè)計提供了切實可用的定量工具。
相關(guān)成果以"General Trend of Strain Effect on the Adsorption and Reactions over Metal Surfaces"為題，發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。王婷婷博士為論文第一作者，席永杰研究員、黃志威研究員和胡斌研究員為共同通訊作者。
上述研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金等項目的支持。
