本报讯（记者王敏）中国科学技术大学教授路军岭、武晓君团队联合中国科学院大连化学物理研究所副研究员杨冰团队，创新性地将前线分子轨道理论引入单原子催化剂设计中，成功研发出兼具高活性和高稳定性的单原子加氢催化剂，实现了前线分子轨道理论在多相催化中的实验佐证与突破性应用。该研究为高活性、高稳定性单原子催化剂设计提供了一个全新的理论模型，有望为人工智能高通量筛选催化剂奠定新的理论基础，并大幅加快高活性、高稳定性催化剂开发，缩短其工业化应用进程。4月2日，相关成果在线发表于《自然》。
从本质上说，单原子催化剂的活性和稳定性分别由金属-底物分子和金属-载体相互作用决定。
路军岭团队在14种半导体载体表面构建了34种钯单原子催化剂。他们通过调控载体种类与尺寸，实现了对载体最低未占分子轨道（LUMO）能级位置的精准调控，并利用紫外可见吸收谱和Mott-Schottky测试实现了对其LUMO能级位置的精准测量。杨冰团队利用高分辨电镜确认了钯原子的原子分散状态。红外和光电子能谱表征则发现，随着氧化物尺寸的减小，钯原子的价态逐步升高，与纳米氧化物的电子相互作用逐步增强。
在乙炔选择性加氢反应中，研究发现，当氧化锌、氧化钴等载体尺寸降至纳米级时，钯单原子催化剂的活性显著提升20倍以上，并展现出更优异的稳定性。进一步研究发现，上述钯单原子催化剂的活性与其价态并无直接关系，而与实验上测得的载体LUMO能级位置呈线性关系。
武晓君团队通过理论计算揭示了金属-载体及金属-分子间的前线轨道耦合内在机制，并证实了前线分子轨道理论在单原子催化中完全可行，为高活性、高稳定性单原子催化剂设计提供了一个全新的理论模型。
审稿人评价，“通过实验和理论建立了金属-载体电子相互作用以及分子吸附强度的内在关联，是我见过的金属-载体电子相互作用讨论最为透彻的工作”，并认为“作者提出的观点非常吸引人”。
相关论文信息：
10.1038/s41586-025-08747-z
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