【复材动态】中科大，再发Nature：稳定将近100小时！

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科学背景

单原子催化剂（SACs）由于其独特的原子级分散结构和近100%的金属利用率，在催化领域备受关注。但是，SACs的性能受到金属-媒介的影响（MSIs）复杂的调节与金属-吸附物相互作用，其中金属原子的电荷状态常被用来解释活性差异，但不同的研究仍然存在争议。传统的d带理论适用于可持续带的金属纳米颗粒，而SACs的离散能级结构需要使用前线分子轨道（FMO）描述理论。在实验和理论上，金属-媒介和金属-吸附物的路轨藕合机制尚未得到充分解释。

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创新成果

针对上述问题，中国科技大学路军岭教授、武晓君教授团队与中国科学院大连化学物理研究所副研究员杨冰创新性地将FMO理论引入SACs设计，成功开发出单原子加氢催化剂，兼顾高活性和稳定性。这项研究发现钯（Pd）在14种半导体氧化物载体中，SACs的活性最低不占分子轨道。（LUMO）位置呈线性比例关系。在乙炔半加氢反应中，通过将媒体粒度降低到纳米，可以显著提高LUMO的位置，从而获得创纪录的高活性和优异稳定性。研究发现，媒体LUMO的增加缩小了其与Pd原子的最高分子轨道占有率（HOMO）Pd之间的能缝推动了Pd。₁-为了加强稳定性，进一步调整媒体轨道杂化导向Pd₁加强Pdd的LUMO₁-吸附物相互作用，从而提高活性。这一发现与前线分子轨道理论一致，为理性选择高活性金属-媒体组合提供了一般描述符。以“相关研究成果”Metal–support frontier orbital interactions in single-atom catalysis“问题，最新一期的Nature于2025年4月2日发布。

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图文导读

图1、Pd1/MOx SACs 随着媒体粒径的变化，中EMSIs © 2025 Springer Nature

图2、催化性能的Pd1/MOx催化剂© 2025 Springer Nature

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

图4、Pd1/ZnO 路轨藕合理论研究SACs活性© 2025 Springer Nature

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科学启迪

这项研究表明，n型和p型半导体载体LUMO位置可以作为单原子催化剂（SACs）对活性和稳定性的普遍描述符。通过降低氧化物媒体粒度，其LUMO位置移位增强了Pd。₁-介质轨道杂化，从而提高Pd₁为了促进吸附物活性，LUMO。试验与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-媒介和金属-吸附物的路轨藕合机制。此外，Pd₁/ZnO-1.9 在乙炔半加氢中，nm催化剂的TOF值超高(25.6) min⁻⊃1;）与传统Pd基催化剂相比，稳定性接近100小时。这个发现为基于电子结构调节的高效SACs设计提供了新的思路，并且可以通过人工智能加速金属-媒体的理性选择。

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原标题:中国科技大学【复材动态】，再次发布Nature。：100小时的稳定性！

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