重磅！马普研究所所长，Science！

学术 2024-11-24 08:30 广东

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研究背景

异质催化是化学反应的重要途径，广泛应用于污染物去除、氢气生产、催化燃料电池和化肥制造等领域。钯族金属催化剂，尤其是钯，因其卓越的催化性能而成为现代工业中不可或缺的材料。然而，与传统的催化剂材料相比，钯催化剂在高温高压环境下的反应机理仍不完全明确，这使得其活性位点的特性难以被精确确定。

在实际催化过程中，反应物的相对位置以及与催化表面的相互作用对反应速率有着显著影响。尽管在实验室中可以制作相对均匀的单晶表面，反应通常仍仅在台阶等缺陷位点上发生。此外，催化表面的不完美性和旁观者吸附物对反应中间体的能量影响，增加了对反应机理理解的复杂性。

成果简介

为了解决这一问题，德国哥廷根大学教授兼马普研究所所长Alec Wodtke在Science期刊上发表了题为“Cooperative adsorbate binding catalyzes high-temperature hydrogen oxidation on palladium”的最新论文。该团队通过高精度速度分辨动力学测量和密度泛函理论（DFT）、过渡态理论（TST）的结合，揭示了氢氧化反应的具体机制。研究表明，在高氧浓度条件下，协同结合的氧原子在钯台阶上形成的活性构型显著提高了反应性。相较于氧浓度较低时反应速率的显著减缓，研究结果展示了在实际反应条件下，催化剂的活性是如何通过调节氧覆盖度来增强的。

值得注意的是，Alec Wodtke教授曾是诺贝尔化学奖获得者李远哲先生的博士生，取得博士学位后来到加州大学圣芭芭拉分校任教，如今在哥廷根大学以及德国马普所担任相应职位。

研究亮点

（1）实验首次测量了在不同氧覆盖度、台阶密度和温度下钯催化氢氧化反应的动力学，揭示了其复杂的依赖关系。这一研究通过速度分辨动力学方法，在高温条件下获得了关于反应速率的详细数据。

（2）实验通过密度泛函理论（DFT）和过渡态理论（TST）的结合，深入分析了在钯(332)表面上协同结合的氧原子的机制，确认了活性构型的形成。这种构型依赖于两个氧原子招募第三个氧原子，从而显著提高了反应的活性。

（3）研究结果表明，氢氧化反应的速率对氧浓度变化敏感。当氧浓度较低时，反应速率明显减缓，并且动力学阶数发生变化，表明反应机制的变化。

（4）实验和理论结果的比较显示，水的形成动力学曲线在实验与理论之间存在良好的一致性，进一步验证了理论模型的准确性。

图文解读

图1. 钯催化氢氧化反应的动力学：对氧覆盖度、台阶密度和温度的依赖性。

图2. 在台阶钯(332)表面上协同结合的理论预测。

图3. 钯催化氢气和氧气转化为水的反应路径。

图4. 钯(332)上氢氧化反应中水形成的实验和理论动力学曲线比较。

图5. 有效反应速率常数 keffk_{\text{eff}}keff 随覆盖度变化的行为。

结论展望

本研究揭示了钯催化氢氧化反应中协同吸附物结合的机制，强调了活性构型在催化反应中的关键作用。这一发现不仅为理解氢气和氧气转化为水的基本反应提供了新的视角，也为其他催化反应的研究开辟了新的方向。通过观察到氧覆盖度对反应速率的非线性依赖性，我们认识到在高温高压条件下，活性位点的动态变化可能显著影响催化性能。这一成果提示我们，未来的催化剂设计应更多关注协同作用和吸附物之间的相互关系，而不仅仅依赖传统的催化剂优化方法。

此外，研究结果为使用密度泛函理论（DFT）进行催化反应机理分析提供了重要的验证，表明合理选择计算模型和调节能量参数对于理解催化反应至关重要。随着对催化剂微观机制的深入探索，未来有望开发出更高效的催化剂，为可持续化学和能源转化提供有效解决方案。

文献信息

Michael Schwarzer et al. ,Cooperative adsorbate binding catalyzes high-temperature hydrogen oxidation on palladium.Science386,511-516(2024).DOI:10.1126/science.adk1334

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