科学家发现催化剂反应位点活性的特异性，有望更精准预测和设计多相催化剂

来源：DeepTech深科技

任何个体之间都存在差异性，正如德国数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）所说，“世上没有两片完全相同的树叶”。

近期，在多相电催化领域，来自湖南大学、美国普渡大学和荷兰莱顿大学的联合团队，也有与上述结论类似的科学发现。

研究人员利用第一性原理计算，对铂（Pt）单晶的表面应力和表面应变进行原子层面的深入探索。他们发现，“世界上不存在两个活性完全相同的反应位点”，也就是说，表面应力驱动的活性是存在特异性的。

该课题组将体系扩展到以往体系的 10 倍，对台面宽度在 1-10nm 的铂台阶表面的表面应力和表面应变进行计算。经过对比和观察后发现，即便是微小的台阶型缺陷，也能够引起不同的表面应力。

如下图所示，活性位点分布图从视觉效果上来看，类似于一座拉索桥。具体来说，其中往往存在一个活性最高的位点，然后活性会缓缓地呈递减趋势。

图丨阶梯式铂（111）表面的原子位点分辨电子结构、表面反应性和电化学氧还原反应活性（来源：Nature）

他们还发现，相较于台面中心原子，台阶周围原子的氧化还原活性明显更高。并且，后者活性可达前者的 50 倍。由此，研究人员得出结论：通过改变表面宽度或调节外部应力，能够控制电化学氧还原反应的能力，从而影响催化剂的整体活性。

审稿人对该研究评价称：“作者重点关注单原子台阶的存在对表面活性的影响。揭示和详细说明这些影响，将有助于更好地定义计算建模中应用的近似，这对于实现更准确的预测能力至关重要。”

审稿人同时认为：“把探索驱动催化反应速率的效应深入到原子尺度，与催化领域的研究一样古老。因此，从这个意义上来看，作者们采取的方法非常有价值。”

在本研究之前，离散活性位点模型长期广泛用来预测催化活性。这一模型的问题是存在显著“误差”，而且根本原因未知。而该研究为此提供了答案。

此外，这项研究也为多相催化剂设计和应用提供了新的思路。具体来说，在以往的认知中，催化剂的活性被定义于某一个点或某一类原子，而该研究发现催化剂活性分布于相邻的、大量的位点。

为更好地理解，该论文共同通讯作者、普渡大学科学家曾振华比喻说道：“如果把位点类比于鲜花，过去我们都认为催化剂的活性存在于某一朵花之中。而经历了这次研究，我们发现，原来活性是在一簇花之中的。”

他指出，这是该领域几十年来全新的科学发现，也为催化领域提供了观念上的“转变”。并且，该研究首次从最基础的驱动力层面，来深入研究应力释放。

图丨曾振华（来源：曾振华）

在该论文发表后，一位科学家对曾振华博士说，在美国阿贡国家实验室名誉教授内纳德·M·马尔科维奇（Nenad M. Markovic）退休后，该领域很少有其他学者深入研究如此基础的体系，并且还能把发现发表在 Nature 上。

曾振华也认为该研究“没有最基础，只有更基础”。实际上，该研究从理论预测到实验再到论文正式发表，共经历了将近 6 年的时间。

有意思的是，为了推进这个研究，亚瑟·J·施（Arthur J.Shih）博士自告奋勇去荷兰莱顿大学的马尔茨·T·M·科珀（Marc T.M.Koper）教授课题组做单晶实验。他与其他四名博后的共同努力，完成了验证该理论研究所需的电化学实验。

图丨铂（111）台面应力释放与表面应变之间的关系（来源：Nature）

该研究是课题组在 2019 年发表在 Science 的本征应变研究[2]的延续，主要研究对象是原子位点的特异应变。

曾振华认为，这是一项持续性的研究。沿着过去和现在坚实的“地基”，未来，会像盖楼房一样，继续将它建设得越来越高。

目前，曾振华在普渡大学从事独立研究，研究方向主要包括燃料电池和电解水制氢。不仅与通用、3M、丰田和本田等公司保持密切合作，部分科研项目还得到了美国能源部的支持。

接下来，他与团队将在应力和应变研究方面继续深入探索，除在单晶体系上的基础研究外，还计划推动基础理解在纳米粒子和纳米体系中的应用。

当前，曾振华团队正在招收青年学者和学生，有兴趣加入的可以直接通过邮件联系（zeng46@purdue.edu）。

参考资料：

1.Liu, G., Shih, A.J., Deng, H. et al. Site-specific reactivity of stepped Pt surfaces driven by stress release. Nature 626, 1005–1010 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07090-z

2.Wang,L.,Zeng,Z. et al. Tunable intrinsic strain in two-dimensional transition metal electrocatalysts. Science 363,6429(2019). https://www.science.org/doi/10.1126/science.aat8051

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