中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所揭示碳納米管限域催化活性起源的微觀機(jī)制

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)催化研究組(511組)肖建平研究團(tuán)隊(duì)在碳納米管限域催化理性設(shè)計(jì)研究方面取得新進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和巨正則系綜蒙特卡洛(GCMC)模擬，揭示了碳納米管限域催化活性起源的微觀機(jī)制，為理性設(shè)計(jì)高效限域催化劑提供了新的理論指導(dǎo)。
 

　　在多相催化中，催化劑的微環(huán)境與活性位點(diǎn)同樣重要。碳納米管作為一種具有明確微環(huán)境的材料，其內(nèi)部受限空間可以顯著影響化學(xué)反應(yīng)的催化活性。前期，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士、潘秀蓮研究員團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)表明，管內(nèi)的催化劑納米顆粒與外部相比表現(xiàn)出不同的催化性能。例如，F(xiàn)e在管內(nèi)相較于管外可以使合成氣轉(zhuǎn)化(FTS)增強(qiáng)(J. Am. Chem. Soc.，2008)，而Ru在內(nèi)部的活性卻受到抑制(J. Am. Chem. Soc.，2015)。如果無(wú)法解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的化學(xué)起源，限域催化的理性設(shè)計(jì)也就非常困難。
 

　　本工作中，肖建平團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，碳管內(nèi)的催化劑與反應(yīng)物種的結(jié)合能普遍弱于外部，這種差異在不同溫度、不同吸附物種和納米顆粒尺寸下均存在。團(tuán)隊(duì)通過(guò)隨機(jī)森林模型分析發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)團(tuán)簇鍵長(zhǎng)縮短是導(dǎo)致結(jié)合能減弱的主要因素，并在電子結(jié)構(gòu)上使得d帶中心下移。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用鍵長(zhǎng)變化作為簡(jiǎn)化的描述符，通過(guò)微動(dòng)力學(xué)模擬，解釋了Fe和Ru在管內(nèi)催化活性增強(qiáng)和抑制的現(xiàn)象。對(duì)于受限于反應(yīng)物種重組或產(chǎn)物脫附的反應(yīng)，限域效應(yīng)可以促進(jìn)活性；而對(duì)于受限于反應(yīng)物吸附和解離的反應(yīng)，限域效應(yīng)則不利。上述發(fā)現(xiàn)為理性設(shè)計(jì)高效催化劑提供了新的思路。
 

　　相關(guān)研究以“Towards Rational Design of Confined Catalysis in Carbon Nanotube by Machine Learning and Grand Canonical Monte Carlo Simulations”為題，于近日發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上。該工作的第一作者是中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所511組博士研究生楊晨宇。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 楊晨宇)