我国学者在金属-载体相互作用研究中取得进展

【字体: 时间:2024年12月14日 来源:国家自然科学基金委员会

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  相关成果以“氧化物负载金属催化剂的金属-载体作用本质(Nature of Metal-Support Interaction for Metal Catalysts on Oxide Supports)”为题,发表在《科学》(Science)杂志上,文章链接http://science.org/doi/10.1126/science.adp6034

  

图 利用可解释性AI算法揭示金属-载体相互作用本质的示意图

  在国家自然科学基金项目(批准号:22221003、22173058、22372153、91945302)资助下,中国科学技术大学李微雪教授团队通过可解释人工智能(AI)算法,结合实验数据,揭示了金属-载体相互作用的本质,建立了其与材料性质之间的控制方程,提出“强金属-金属作用原理性判据”,解决了氧化物包裹金属催化剂的难题。相关成果以“氧化物负载金属催化剂的金属-载体作用本质(Nature of Metal-Support Interaction for Metal Catalysts on Oxide Supports)”为题,发表在《科学》(Science)杂志上,文章链接http://science.org/doi/10.1126/science.adp6034。

  负载型金属催化剂是化学工业过程最广泛使用的催化剂之一,金属-载体相互作用的本质及其调控是高效、稳定催化剂研发中所面临的重大科学问题。早在1978年,科学家们发现氧化物载体在高温环境下会包裹金属催化剂,该现象被归结为强金属-载体相互作用所致。然而,由于该作用敏感的依赖于催化剂的各种性质、制备过程和反应条件等,使得发展具有预测能力的一般性理论变得极具挑战。

  针对以上难题,研究团队汇总了多篇文献中的界面作用实验数据,通过可解释性AI算法,由材料基本性质作为特征,经过迭代式的数学操作,构建了一个由高达300亿个表达式所组成的特征空间。再利用压缩感知算法,结合理论推导,从中筛选出物理清晰、数值准确的描述符,成功建立了金属-载体相互作用与材料性质之间的控制方程。该方程除了包含金属-氧相互作用外,还突破性地包含了金属-金属相互作用这一关键新变量。研究发现,该作用是决定载体效应的关键因素。大规模神经网络势函数分子动力学模拟揭示,金属-金属相互作用还决定了氧化物包覆金属的动力学速率,以及包覆界面处金属-金属键的占比。基于此,团队提出了“强金属-金属作用原理性判据”,用以预测包覆现象的出现。该判据不仅解释了迄今为止几乎所有观测到的氧化物包覆现象,还预测了更广泛的有待发现的新体系。

  上述所提出的“金属-载体相互作用”理论很好的普适性。该理论适用于氧化物负载的金属纳米催化剂、金属单原子分散催化剂,以及金属负载的氧化物薄膜催化剂。“强金属-金属作用原理性判据”,原则上也同样适用于其他金属化合物载体的包覆行为。这一成果将助力于高活性、高选择性、高稳定性催化剂的优化设计,有望加快新催化材料和新催化反应的发现。

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