单原子催化中金属 - 载体前沿轨道相互作用：解锁高活性与稳定性的关键

《Nature》：Metal–support frontier orbital interactions in single-atom catalysis

为解决单原子催化剂（SACs）金属 - 吸附质和金属 - 载体相互作用与催化性能关系不明的问题，研究人员开展了关于钯（Pd1）SACs 的研究。结果发现其活性与氧化物载体最低未占分子轨道（LUMO）位置呈线性关系，该成果为合理选择金属 - 载体对提供了通用描述符。

　　单原子催化剂（SACs）因具有最大化的金属利用率和离散的能级，在多相催化、能量转换、环境科学以及生物医学领域有着广阔的应用前景。SACs 的活性和稳定性取决于金属 - 吸附质以及金属 - 载体之间的相互作用。然而，理解这些相互作用及其在催化性能方面的本质颇具挑战，金属原子电荷状态与活性的相关性也常得出有争议的结论。研究发现，在 14 种半导体中，钯（Pd₁）SACs 的活性与氧化物载体最低未占分子轨道（LUMO）的位置呈现线性关系。将载体粒径减小至几纳米，提升 LUMO 位置，可在乙炔半氢化反应中实现创纪录的高活性以及出色的稳定性。载体 LUMO 的提升缩小了其与 Pd₁原子最高占据分子轨道（HOMO）的能隙，促进了 Pd₁- 载体轨道杂化，提升了稳定性，还调整了锚定的 Pd₁原子的 LUMO，增强了 Pd₁- 吸附质相互作用，从而提高了活性。这些发现与前沿分子轨道理论相符，为合理选择具有可预测活性的金属 - 载体对提供了通用描述符。