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金属载体相互作用MSI（metal-support interaction）是异相催化最重要的概念，但是因为界面的复杂特点，如何开发金属-载体相互作用的理论仍是个巨大挑战。有鉴于此，中国科学技术大学李微雪教授等报道基于实验研究、可解释机器学习、理论推导、第一性原理等进行结合，建立了基于金属-金属（metal-metal）相互作用和金属-氧化物（metal-oxygen）相互作用的金属-氧化物相互作用基本原理。这种原理能够用于氧化物载体担载金属纳米粒子/金属原子以及金属载体表面的氧化物膜。研究发现，后过渡金属催化剂构筑的金属-氧化物载体体系以及金属纳米粒子的表面氧化物封装结构，金属-金属间相互作用起到主导作用。通过对10种金属和16种氧化物的广泛实验，验证强金属-金属相互作用能够导致发生封装现象的原理。这项研究揭示的强金属-载体相互作用能够推动担载金属催化剂的设计。 基于压缩感知原理的数据驱动方法 SISSO (Sure Independence Screening and Sparsifying Operator)研究MSI相互作用。将相关报道出现的25种金属和27种氧化物构成的178个金属-氧化物界面研究MSI的关键参数，吸附能（Eadh）。为了保证数据的可靠性，通过液态金属颗粒滴加在氧化物的润湿实验取得数据。 首先考察了金属氧化物界面物理性质有关的各种物理参数，筛选了14个独立且重要特征。通过简单的数学算符，对超过300亿个数学表达式进行了全面探索，以确保模型的可解释性，而且不损害准确性。通过压缩感知方法，确定了二维模型。
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得到的模型对测试的数据集表现优异，准确性达到14meV/Å2，比神经网络模型以及其他描述符更好。Eadh模型含有Q(MO)和Q(MM)项。由于Eadh模型非常准确，因此能够用于预测氧化物载体修饰金属的接触角α，并且能够用于预测这种氧化物载体修饰金属的抗烧结能力。结果表明，当MSI的强度适中（不是太强或者太弱），而且接触角为~90°，具有最大的热稳定性。基于Young–Dupré方程|Eadh|=γM(1+cosα)，能够计算得到675种金属-氧化物界面的α接触角。VIII族金属的α角度主要分布在80°~120°之间，这接近最合适的接触角α。但是，币族金属具有较弱的MSI相互作用，大多数α都超过120°，因此容易烧结，需要增强MSI相互作用克服烧结问题。图2. 金属载体相互作用的本质以及用于不同界面体系由得到的MSI模型发现MSI相互作用由短程MOI和MMI所决定。当假定MSI由界面的临近化学键决定的时候，能够推导得到模型
Eadh = α1•Q(MO) + α2•Q(MM′) + α0
其中，α1和α2对应于界面金属-氧化学键和界面金属-金属化学键的数量，α0表示其他未考虑的影响。通过分别考虑MOI和MMI，能够分析MOI和MMI对MSI的贡献。结果表明MOI明显比MMI的变化范围更大，MSI的整体强度主要由MOI决定，每种不同金属导致MSI的强度不同，表明担载金属产生的影响。同时，MMI项能够区分不同金属氧化物载体修饰的金属，表明载体效应的影响。比如，对于修饰在不同氧化物载体上的Pt金属，虽然MOI的数值达到53meV/Å2，但是MMI的变化区间达到30~120 53 meV/Å2，说明后期过渡金属催化剂的M′亲和性对MSI起到主要作用。 MSI能够拓展用于金属载体表面的氧化物膜。这种氧化物膜能够用于研究SMSI效应和封装金属。结果表明，M′亲和力越强，粘附力越强。Pt、Rh、Ir、Ru和Pd表现出很强的粘附性，超过1.24eV/Fe原子（175meV/Å2），说明载金属M的强M′亲和力在包封中起着至关重要的作用。这种MSI理论能够解释经典SMSI和封装体系。通过分子动力学模拟研究金红石TiO2（011）载体上含有305个原子的Pt、Pd、Rh和Ru簇（直径~3nm）的高温经典SMSI。表面优化的α范围106°~122°，表明MSI比较弱。同时，计算Cu和Ag体系，作为比较。通过引入12.5%的氧空位，模拟还原体系。对于具有强M′亲和力[|Q(MM′)|>10.8eV]的Pt、Pd、Rh和Ru，观察到TiO2-x低价氧化物迁移到金属NP上，而且形成了封装的覆盖层结构，实验测试同样观察到这些体系的封装。对比的M′亲和力较弱[|Q(MM′)|<8.8 eV]的Cu和Ag，没有发生这种封装现象，这与Cu和Ag体系没有封装的实验结果是一致的。作者研究得到了产生封装现象的标准，当|Q(MM′)|>|Q(M′M′)|能够发生封装。根据Q的定义，能够将其转化为方程
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根据这个规律，研究了10种后过渡金属和16种氧化物载体发生封装的可能性，验证了这个理论能够对这些体系研究。比如，对于ZrO2、TiO2、CeO2价态为4价的氧化物，Ir、Pt、Ru、Rh具有更强的M′，因此产生封装。但是Ag具有更弱的M′，因此没有封装的驱动力。对于Pd、Ni、Co、Au、Cu等M′适中的金属，是否封装对于氧化物的性质非常敏感。Pd、Ni、Co、Au能够在CeO2和TiO2上封装，但是Cu在CeO2上封装。但是Pd、Ni、Co、Au、Cu无法对ZrO2发生封装。SiO2和Al2O3具有适中的|Q(M′M′)|，具有不可还原性和弱MSI，因此通常被认为是无法封装的载体，但是作者发现在非常苛刻的反应条件仍可能发生封装。Tairan Wang, Jianyu Hu, Runhai Ouyang, Yutao Wang, Yi Huang, Sulei Hu, and Wei-Xue Li, Nature of metal-support interaction for metal catalysts on oxide supports. Science 386, 915-920(2024) DOI: 10.1126/science.adp6034https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6034
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