科学家揭示单原子催化剂性质的普适性规律，建立最大的单原子催化剂数据库
我们都知道，化学反应在石油化工、酿造制药等诸多关键的行业领域中，都发挥着不可或缺的作用。对化学反应进行控制，使其更好地满足人类需要，少不了催化剂的加持。关于催化剂的发现，背后还有一个有趣的小故事。100 多年前的某天，当瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius）做完实验回到家，发现妻子正因庆祝生日而邀请亲友们前来做客。面对亲友们的热情道贺，他来不及洗手就先喝了一杯酒。当他在喝第二杯时，却突然皱眉询问妻子，为何要给自己拿醋喝。品尝了丈夫杯中的酒之后，他的妻子感到非常疑惑，不知道为什么甜酒会变成醋酸。后来，贝采利乌斯才知道，是因为自己手上沾有从实验室带来的铂黑粉末，后者与杯中的蜜桃酒接触后，加快了酒精和氧气之间的化学反应，这才导致了醋酸的生成。基于此，他首次提出了催化剂的概念。如今，催化剂已经拥有非常丰富的种类，可以广泛地应用在催化氮气、还原二氧化碳、氢气氧化等方面。那么，对于纳米催化剂来说，其为什么这么小，却具有如此神奇的催化魔力呢？实际上，催化剂效能的发挥，与它的结构息息相关。因此，要想设计高性能的催化剂，需要能够实现三维可视催化剂微观结构、精准调控其原子结构以及揭示其普适性的构效关系。中国科学院福建物质结构研究所研究员，主要以清洁能源高效催化转化为导向，致力于探索纳米催化剂精准合成的新方法，注重发展透射电镜三维重构新技术以实现对催化剂三维微观结构的高分辨可视化，并研究其普适性构效关系。她在三维重构表征的基础上，建立并发展了“固相表界面可控锚定”合成策略，实现了多方面催化性能的新突破。并且，通过构筑一系列可对比性的单原子活性位，她首次建立了迄今为止最大的系统性单原子催化剂数据库，通过大数据分析揭示了单原子催化剂性质的普适性规律，这不仅加深了对单原子催化活性位本质的理解，也为高性能单原子催化剂的设计合成奠定了理论基础。凭借上述开创性成果，她成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者建立单原子催化剂数据库，为高性能单原子催化剂设计合成提供基本指导原则自从事催化剂研究以来，在合成多种单原子催化剂方面积累了丰富的经验。她发现如果将催化剂的尺寸降到最小的单原子位点，那它的很多性质和纳米材料及体材料都是不同的。同时，这些不同的单原子的性质之间有着某种关联，就如元素周期表中那些元素的参数一样，具有一定的规律。而后者的信息数据以及其晶体的参数信息数据，目前已经能够被很容易地找到，可以为相关领域科研人员的研究带来很大的便利。而对单原子催化剂来说，由于缺乏设计的基本指导原则，会在很大程度上影响科研人员对它的合理设计。对此，她不禁设想，如果能将单原子位点的性质规律弄清楚，做出一个类似于前述元素的信息数据库，应该能够为单原子催化领域的发展提供较大的帮助。于是，她和团队构建了一个拥有 37 种元素的单原子催化剂数据库，确立了单原子催化剂设计的基本指导原则。 图丨单原子催化剂的合成与表征（来源：Nature Materials）为什么是 37 种单原子呢？这是因为目前还不可能实现对所有单原子的合成。比如，有些属于放射性元素，无法买到原料，又有些是实验室所没有的元素。“我们将能买到的，以及实验室有的那些单原子都合成了一遍。”说。据她介绍，即便是在非常高效的情况下，该研究依然经历了五年时间。过程中，她和团队面临着巨大的工作量和繁琐的数据处理流程，需要不断地核对并严格把关每一个数据点，付出了大量的人力、物力、财力和时间，最终才得以将成果完美呈现。谈及研究中最为难忘的经历，她表示是在论文成果投递后的审稿阶段。“几位审稿人都非常认真严谨，问的问题也很专业。有时审稿人提出的一个问题，就需要我们花费半年时间去补充数据。可能一组数据就是别人的一篇文章，所以工作量实在很大。幸运的是，我们最终得到了审稿人的认可，而他们的问题也让这项研究更加完善。”她说。图丨单金属单原子催化剂性能的相关分析（来源：Nature Materials）那么，从创新性的角度来看，这项研究具体能够解决哪些问题呢？首先，可以在设计与合成单原子催化剂之前，通过该单原子数据库查询相应的单原子性质，为接下来的研究提供指导。其次，由于该团队还将一种金属元素的单原子催化剂拓展至多元素体系，比如 12 种元素，因此这种扩展能推动单原子体系的组合可能性以及复杂性呈指数倍增加。同时，也可以用这些单原子催化剂性质的普适性规律，来对比晶体参数的规律。此外，关于该项研究的后续计划，表示将会把这种研究方法推广到具体的催化反应中，研究催化剂活性位结构与催化性能之间的普适性构效关系，再用以指导高性能催化剂活性位的设计。图丨多种金属元素单原子催化剂的表征与性能测试（来源：Nature Materials）义无反顾投身科研，致力于看见催化的最本质过程许是因为自小就对世界万物充满好奇，喜欢静下心来钻研，所以自大学伊始，就计划走科研道路。在她看来，做科研是很有意义的事情，不仅能够通过不断的学习来更新认知、提升自我价值，还可以自由地探索和突破一些知识盲区，为增加人类认知和造福社会助力。不过，和许多科研人员一样，她在科研中也会面临各种各样的挑战。“选择全身心投入科研需要很大的勇气，有时会产生很多顾虑，也不得不放弃人生中一些重要的东西。但每每做出一个突破性较大的成果，或是成果被认可、被发表时，我都会感到很振奋，并有一种收获满满的感觉。除此之外，我能继续走下去，也离不开我的导师们以及身边其他良师益友的鼓励和支持。”她说。回到她所聚焦的研究本身，为了更加清楚地探明纳米催化剂的催化本质，最直观、最有效的手段还是看到它的三维微观催化过程。但目前要想实现这一点还比较困难。因此，在下一个阶段，计划朝着这个方向努力，进一步发展先进的高分辨透射电镜电子断层三维重构技术，表征催化剂的三维微观结构变化。同时，利用包括拉曼光谱、红外光谱、X 射线谱在内的多种原位谱学技术，表征催化剂与反应物和反应中间体的相互作用。其希望研究纳米催化剂在工况下结构稳定性的关键影响因素及其失活机制，并提出纳米催化剂抗失活新理论，最终建立纳米催化剂性能和寿命提升的新方法。参考资料：1. Han, L., Cheng, H., Liu, W. et al. A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs. Nature Materials. 21, 681–688 (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01252-y运营/排版：何晨龙 由 DeepTech 携手《麻省理工科技评论》重磅推出的《科技之巅：全球突破性技术创新与未来趋势（20 周年珍藏版）》已开售！点击下方海报可购买图书！！
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