【海川科技前沿】利用AI技术揭示负载型金属催化剂中“金属-载体相互作用”的本质。

沙漠里的游鱼 · 发表于 2024-12-12 23:18:48

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困扰催化领域50年难题终破解
2024-12-11 来源：中国科学报

中国科学技术大学教授李微雪的电脑里有个文件夹，保存了同一论文的329个不同版本。每个版本按照日期命名，最早一版是2018年9月5日，最后一版是2024年10月20日。

近日，这篇解开困扰多相催化领域近50年难题的论文在线发表于《科学》。李微雪团队利用人工智能（AI）技术揭示了负载型金属催化剂中“金属-载体相互作用”的本质。

中国科学院院士、清华大学教授李亚栋认为，该成果“解决了多相催化研究中一个重大基础科学难题，对高效负载型催化剂的理性设计极具指导价值”。

以非常“优美”的方式解开难题

90%以上的化学品在催化剂的帮助下合成制备，氧化物负载金属催化剂是使用最广泛的工业催化剂之一。长期以来，科学家一直在努力开发高活性、高选择性和高稳定性的催化剂。

“负载型催化剂体系中有两大基石——催化剂与反应物的关系和催化剂与载体的关系。前者是提高催化活性和选择性的关键，后者则起到‘定海神针’的作用。”论文通讯作者李微雪说。

早期研究大多聚焦于金属催化剂与反应物的相互作用，而忽略了金属催化剂与载体的相互作用。随着研究不断深入，人们发现氧化物载体不仅发挥了稳定金属催化剂的作用，还能进一步影响催化剂体系中的电荷转移、形貌改变、新界面位点形成、化学成分以及界面包覆等，进而显著影响了催化剂的活性和选择性。

事实上，早在1978年，科学家就发现氧化物载体在高温还原环境下，出现了包裹金属催化剂的现象。这一现象被归结为由强金属-载体相互作用所致。后来，人们用这一概念解释所有表现出显著界面效应的实验现象。

“影响金属与载体相互作用的因素太多、太复杂，涉及催化剂和载体的组分、结构、尺寸、形貌等。这一作用又敏感地依赖于催化剂的制备过程和反应条件等。”李微雪说，现在，每年有近7000篇论文涉及金属-载体相互作用这一概念，并且呈稳步增加的趋势，但对该作用的研究一直没有实现定量化，尤其是缺乏明确的构效关系。

为此，从2017年起，他带领学生利用AI技术“死磕”该问题，历时8年终于解开这一困扰多相催化领域近50年的难题。

“令我们吃惊的是，在诸多复杂因素中，竟是金属催化剂与载体中的金属形成的金属-金属键产生了决定性影响，而不是大家长期以来所想象的金属-氧键。”李微雪说，这为理解金属-载体相互作用提供了全新视角。

《科学》审稿人高度评价了这项工作：“该研究对于改进工业催化剂非常重要，我对作者从原子层面出发并以一种‘优美’的方式解决这一问题表示祝贺！研究结果极具创造性、思想性和深刻性。”