【科学背景】

单原子催化剂（SACs）因其独特的中科最新原子级分散结构和接近100%的金属利用率，在催化领域受到广泛关注。大再达然而，长材料SACs的稳定性能受金属-载体相互作用（MSIs）和金属-吸附物相互作用的复杂调控，其中金属原子的性单电荷状态常被用于解释活性差异，但不同研究仍对此存在争议。原催传统d带理论适用于连续能带的化剂金属纳米颗粒，而SACs的突破离散能级结构需要借助前线分子轨道（FMO）理论进行描述。金属-载体与金属-吸附物的中科最新轨道耦合机制尚未在实验和理论上得到全面阐释。

【创新成果】

针对以上问题，大再达中国科学技术大学路军岭教授、长材料武晓君教授团队联合中国科学院大连化学物理研究所杨冰副研究员创新性地将FMO理论引入SACs设计中，稳定成功研发出兼具高活性和高稳定性的性单单原子加氢催化剂。该项研究表明钯（Pd）SACs的原催活性与14种半导体氧化物载体的最低未占分子轨道（LUMO）位置呈线性比例关系。通过将载体粒径减小至纳米级，化剂可显著提升LUMO位置，从而在乙炔半加氢反应中实现创纪录的高活性和优异稳定性。研究表明，载体LUMO的升高缩小了其与Pd原子的最高占据分子轨道（HOMO）之间的能隙，促进了Pd₁-载体轨道杂化以增强稳定性，并进一步调整锚定Pd₁的LUMO以强化Pd₁-吸附物相互作用从而提高活性。这些发现与前线分子轨道理论一致，为理性筛选高活性的金属-载体组合提供了通用描述符。相关研究成果以“Metal–support frontier orbital interactions in single-atom catalysis”为题，于2025年4月2日发表在最新一期的Nature上。

【图文导读】

图1 Pd₁/MO_x SACs 中EMSIs随载体粒径的变化 © 2025 Springer Nature

图2 Pd₁/MO_x催化剂的催化性能© 2025 Springer Nature

图3 Pd₁/MO_x SACs 的化学性质© 2025 Springer Nature

图4 Pd₁/ZnO SACs活性的轨道耦合理论研究© 2025 Springer Nature

【科学启迪】

该项研究发现，n型和p型半导体载体的LUMO位置可作为单原子催化剂（SACs）活性和稳定性的普适性描述符。通过减小氧化物载体粒径，其LUMO位置上移，增强了Pd₁-载体轨道杂化，进而优化Pd₁的LUMO以促进吸附物活化。实验和理论计算共同验证了前线分子轨道理论的适用性，揭示了金属-载体及金属-吸附物的轨道耦合机制。此外，Pd₁/ZnO-1.9 nm催化剂在乙炔半加氢中表现出超高的TOF值（25.6 min⁻¹）和长达100小时的稳定性，优于传统Pd基催化剂。这一发现为基于电子结构调控的高效SACs设计提供了新思路，并可通过人工智能加速金属-载体对的理性筛选。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08747-z

本文由小艺撰稿