催化研究

从10篇Nature系列顶刊，看理论计算如何助攻催化研究！

大家知道，在药物开发中计算机辅助的药物分子设计已经是非常普遍的研究手段。考虑到现在计算化学的不断发展，通过理论计算的方式来对材料的性能进行预测和机理探索已经是一个很明显的趋势。

事实上，计算辅助催化剂的设计也在过去的一二十年取得了不小的进展，在催化类顶刊文章中，80%以上的工作使用DFT方法进行机理探究或材料预测。计算模拟给实验工作者们提供了更有价值的“情报”，让催化研究更加的“有的放矢”。我们整理出顶刊发布的10篇计算辅助催化的优质工作，以供参考。

1. 韦世强＆路军岭Nature Communications：球差+XAFS+DFT，一套漂亮的催化组合拳！

基于ALD技术的自限反应特性，通过Bottom–up路径精确控制合成了稳定的Pt2双原子复合石墨烯结构催化剂。以球差矫正透射电子显微镜，X-ray 吸收精细结构光谱，结合理论计算，确定了催化剂的结构。随后研究了催化剂在氨硼烷水解脱氢反应中的性能，反应机制以及双原子簇的结构稳定性。

使用密度泛函理论（DFT）计算模拟单原子的存在状态及其与载体的相互作用，特别是比较了单原子催化剂Pt1/Graphene和双原子催化剂Pt2/Graphene的区别。计算表明，Pt2/Graphene-R的顶部Pt原子对AB和H₂的吸附相对Pt1单原子较弱，这些因素使其具有优异的催化性能。

Yan H, Lin Y, Wu H, et al. Bottom-up precise synthesis ofstable platinum dimers on graphene[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 1070.

2．北大马丁团队Nature: 首次利用Pt/α-MoC催化剂实现低温甲醇/水反应产氢

北京大学马丁与中国科学院大学周武、山西煤化所/中科合成油温晓东以及大连理工大学石川研究团队研制了双功能Pt/MoC甲醇液相重整制氢复合催化剂体系，利用程序升温渗碳工艺将甲烷和氢气同各种前驱体混合在一起，制成多种铂改性的碳化钼催化剂。

研究人员借助第一性原理计算进一步研究Pt/α-MoC催化剂的结构和电子特性以及反应机理。模拟计算结果表明，α-MoC和铂之间确实具有更为强烈的相互作用，并且原子级分散的Pt物种的几何结构最大化了Pt/α-MoC的暴露活性界面，有效提高了反应的活性位点密度。

Lin L, Zhou W, Gao R, et al. Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts[J]. Nature, 2017, 544(7648): 80.

3.Tobias Ritter课题组 Nature：Pd催化惰性芳香烃的C-H键氟化

TobiasRitter课题组成功实现了无导向基参与的惰性芳香烃C-H键的氟化反应，通过催化量的Pd(II)络合物与N-F型亲电氟化试剂现场生成活性更高的氟化Pd(IV)物种，并在温和的条件下与多种缺电子或富电子芳香烃发生C-H键氟化反应，生成邻位和对位取代的氟代芳香烃产物。

作者对该反应提出了三种可能的机理，DFT计算确定了最佳的反应路径，即经历过渡态TS的单电子转移/氟负离子迁移/单电子转移机理。

Yamamoto K, Li J, Garber J A O, et al.Palladium-catalysed electrophilic aromatic C–H fluorination[J]. Nature, 2018, 554(7693):511.

4. 王丹课题组 Nature chemistry：sp杂化氮掺杂的少层石墨炔用于ORR电催化性能

中科院过程所王丹、Nailiang Yang以及中科院化学所李玉良、北京师范大学朱嘉等人合作，报道了一种sp杂化氮掺杂的少层石墨炔，实现了全方位的高效ORR电催化性能。研究表明，这种sp-N掺杂的石墨炔在ORR测试中，无论是峰值电势、半波电势还是电路密度，都有优异的效果。在碱性条件下，其活性可媲美商业Pt/C,且动力学更快；在酸性条件下，活性较商业Pt/C略逊一筹，但是已经完胜其他非金属材料。

DFT计算表明，sp-N比pyri-N 和grap-N具有更大的负电荷密度，从而导致相邻C原子具有更大的正电荷密度，最终加速催化剂表面的O₂吸附和电子传递，实现更高的催化活性。

Zhao Y, Wan J, Yao H, et al. Few-layergraphdiyne doped with sp-hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites foroxygen reduction electrocatalysis[J]. Nature chemistry, 2018: 1.

5. 孙学良课题组 Nature Conmmunications：铂单原子和纳米簇催化析氢反应

加拿大西安大略大学孙学良教授，麦克马斯特大学GianluigiA. Botton，北京计算科学研究中心刘利民等人利用原子层沉积技术生产铂单原子和纳米簇催化剂。该研究使用ALD技术制备了由N掺杂石墨烯上做载体的用于HER的新型Pt催化剂。Pt催化剂的尺寸范围从单原子，亚纳米簇，到纳米颗粒，其通过调节ALD循环的数量精确控制。与商业Pt / C催化剂相比，单个Pt原子和原子簇显示出异常高的HER活性和稳定性。

单一Pt原子和原子簇的显著性能源于它们的小尺寸，以及N掺杂石墨烯上的单个Pt原子的吸附的独特电子结构，并通过XANES和DFT分析所证实。这项工作为基于单Pt原子和原子簇的高活性和稳定性的下一代催化剂的设计提供了新的方法，具有降低商业贵金属催化剂的高成本的巨大潜力。

Cheng N, Stambula S, Wang D, et al.Platinum single-atom and cluster catalysis of the hydrogen evolution reaction[J]. Nature communications, 2016, 7: 13638.

6.郭少军＆黄小青Nature communications：Pt-Co纳米线高效ORR性能

郭少军和黄小青合作报道了一种新型的多级结构Pt-Co合金纳米线，具有良好的电化学稳定性和热稳定性。富铂的高指数晶面和有序的间金属结构，赋予其高效的ORR和乙醇氧化催化性能。这种Pt-Co纳米线对于ORR的比活性和质量活性分别是商业Pt/C催化剂的39.6倍和33.7倍。

DFT计算表明，ORR的活性主要来源于PtCo纳米线中[110]和[310]]高指数晶面的空心位点。

Bu L, Guo S, Zhang X, et al. Surface engineering ofhierarchical platinum-cobalt nanowires for efficient electrocatalysis[J].Nature communications, 2016, 7: 11850.

7. 钟良枢＆孙予罕Nature：Co₂C用于合成气直接合成烯烃

钟良枢和孙予罕课题组通过采用全新催化剂活性位结构，该项研究实现了在温和条件下合成气高选择性直接制备烯烃。

为了研究Co₂C的催化机理，他们采用了DFT计算Co₂C各个主要晶面的反应能垒，证明Co₂C的活性位为{101}和{020}面，计算结果与实验结果一致。

Zhong L, Yu F, An Y, et al. Cobaltcarbide nanoprisms for direct production of lower olefins from syngas[J].Nature, 2016, 538(7623): 84.

8. Yang Shao-Horn团队Nature Chemistry：氧化物电催化氧析出，部分氧气来自催化剂晶格氧

Yang Shao-Horn研究团队利用¹⁸O同位素标记在线电化学质谱方法分析表明，在钙钛矿型含钴金属氧化物催化 OER 反应过程中，产生的部分氧气来自于晶格氧。这一晶格氧的氧化在不同pH下具有不同的氧析出活性，这说明该 OER 反应包含非协同质子-电子转移步骤。

通过DFT计算材料中的电子结构和反应的ΔG，作者认为增强催化剂的金属-氧键的共价性，能促进晶格氧的氧化、发生非协同质子-电子转移过程。

Grimaud A, Diaz-Morales O,Han B, et al. Activating lattice oxygen redox reactions in metal oxides tocatalyse oxygen evolution[J]. Nature chemistry, 2017, 9(5): 457.

9. Raphaël Chattot和Frédéric Maillard课题组Nature materials：表面畸变情况与ORR催化性能的关系

法国研究人员Raphaël Chattot、Frédéric Maillard等研究人员通过同步辐射X射线衍射（WAXS）研究了C负载的球形、立方块、八面体、中空结构PtNi催化剂，PtNi气凝胶和海绵状PtNi催化剂，以及商业Pt/C(Pt/C TKK)，负载于C上的Pt立方块(cube Pt/C)，老化后的Pt/C(A-Pt/C)和老化后的PtNi/C (A-PtNi/C)在新制备和不同处理条件下的表面畸变情况，以此研究其与ORR性能的关系。

通过测定的微观畸变量可知，除Pt/C TKK和cube Pt/C具有较小的畸变外，其他的催化剂都具有一定的畸变。尤其是对于无序结构的PtNi合金催化剂，DFT理论计算和实验表征都发现其畸变量与Ni的含量有直接关联，暗示其中的元素分布不均衡是畸变的根源。

Chattot R, Le Bacq O, Beermann V, et al.Surface distortion as a unifying concept and descriptor in oxygen reductionreaction electrocatalysis[J]. Nature materials, 2018, 17(9): 827.

10. Avelino Corma课题组 Nature Catalysis：以反应中间体作为有机结构导向剂进行MTO分子筛催化剂的设计与合成

西班牙瓦伦西亚化工技术研究所（ITQ）的Avelino Corma研究团队通过MTO反应过程中的中间体为导向剂，设计合成了一系列新颖的分子筛催化剂。

作者通过DFT计算进一步阐释了两种不同类型的分子筛中反应中间体稳定存在的可能性以及反应过程中各种中间体的能量变化。分子筛独特的孔道结构可以将反应中间体稳定在分子筛中，由于与分子筛的相互作用，中间体分子的能量更低。通过反应过程中各种中间体的能量变化曲线，作者还进一步比较了两种不同类型分子筛（CHA/RTH）中反应路径的变化。

Li C, Paris C, Martínez-TrigueroJ, et al. Synthesis of reaction‐adapted zeolites asmethanol-to-olefins catalysts with mimics of reaction intermediates as organicstructure‐directing agents[J]. Nature Catalysis, 2018,1(7): 547.

来源Source：
http://www.cailiaoniu.com
http://www.nanoer.net