近日，中國科學院合肥物質院固體所環境材料與污染控制研究部黃行九研究員團隊利用原位表征技術，結合高通量計算方法和機器學習，揭示了雙金屬單原子對重金屬氧化還原反應的選擇性催化本質，極大提高了雙金屬單原子催化劑的篩選效率，對未來多位點原子級納米材料的設計與合成具有重要的指導意義。相關結果以封面論文發表在Nano Letters 上。
受限于空間和時間分辨率，目前對原子級微觀動態過程的理解尚存在局限性，這在一定程度上嚴重制約了催化劑調控技術的發展及其應用領域的擴展。面對這一挑戰，研究團隊致力于高性能敏感材料的設計與調控工作，旨在實現對環境污染物及體液電解質離子的高靈敏度和高選擇性檢測。目前，團隊已研發了系列界面新結構和表征新方法，例如，設計Au25納米簇負載在黑磷和氮摻雜石墨烯的“三明治結構”材料（AuCs/BP-NG），“再分散”效應實現了對Cr(VI)的高穩定高靈敏催化檢測（Adv. Funct. Mater., 2022, 2209283）；通過原位電化學電子自旋共振波譜技術，探究由氧空位引發的電子重排所促進的羥基自由基高效界面催化（Chem.Sci., 2023, 14, 2960）；結合密度泛函理論和梯度提升回歸方法，全面篩選過渡金屬單原子高效催化As(III)的通用描述符（Anal. Chem., 2023,95, 3666）；借助計算機斷層掃描技術提取界面材料幾何特征模擬，闡明極低界面擴散電位下的雙層電容轉導機制（ACS Nano, 2024, 18, 12808）。
該研究中，研究人員結合了先進的原位同步輻射光譜技術和高精度的理論計算，實現了對雙金屬單原子催化劑在催化反應過程中瞬態結構的實時捕捉和解析。首先，通過高通量篩選確定了高效的雙金屬原子級電極界面，實現了Cu(II)和As(III)的并行電化學還原。原位X射線吸收精細結構（XAFS）光譜和配位場理論驗證了雙金屬單原子體系中，由允許的d?d躍遷促進的Ni?Cu特定能級匹配，再現了電化學微觀動態還原過程。進一步通過理論計算發現，Fe?As特定鍵合和最小勢能（1.40 eV）決定步驟，這是源自關鍵中間體的主要s和p峰向高能軌道的線性偏移。此外，研究人員分別從動力學、熱力學模型的收斂趨勢和退火模擬的角度再現了自適應匹配的動態演化。
該研究中高通量計算方法的應用顯著加速了催化劑候選材料的篩選過程，通過預測材料的催化性能和穩定性，縮小了實驗驗證的范圍，從而大大提高了研究效率。瞬態反應機制研究則進一步揭示了催化過程中關鍵步驟的熱/動力學特征，為優化催化劑性能提供了理論指導。另外，原位實驗驗證證實了理論預測的準確性，精細的表征手段也揭示了催化劑的結構-性能關系，為深入理解催化機制提供了堅實依據。該工作結合理論和實驗的指導方法，不僅證實了高效雙功能納米材料理論預測的可行性，也為下一代多金屬原子級催化劑的智能設計、理論篩選及催化機制原位探究提供了重要參考。
固體所博士后宋宗銀為論文的第一作者，安光所劉文清院士、固體所黃行九研究員和中國科學院上海應用物理研究所李麗娜教授為通訊作者。該研究得到了國家重點研究開發計劃、中國博士后創新人才支持計劃、國家自然科學基金及中國科學院青年創新促進會等項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06524
圖1. 原位XAFS技術和DFT計算模擬聯用探究電化學反應微觀動態演變。
圖2.作為封面論文。
