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金属-载体相互作用是多相催化中最重要的支柱之一，但由于其复杂的界面，建立一个基本的理论一直具有挑战性。
2024年11月21日，中国科学技术大学李微雪团队在Science在线发表题为“Nature of metal-support interaction for metal catalysts on oxide supports”的研究论文。该研究揭示了金属催化剂在氧化物载体上的金属-载体相互作用性质。
基于实验数据、可解释的机器学习、理论推导和第一性原理模拟，研究人员建立了基于金属-金属和金属-氧相互作用的金属-氧化物相互作用的一般理论。该理论适用于氧化载体上的金属纳米粒子和原子以及金属载体上的氧化膜。研究发现，对于后过渡金属催化剂，金属-金属相互作用主导了氧化物支撑效应和亚氧化物对金属纳米颗粒的包封。通过对10种金属和16种氧化物的广泛实验，阐述并证实了包封发生的强金属-金属相互作用原理。对（强）金属-载体相互作用的有价值的见解推动了负载型金属催化剂的界面设计。
此外，2024年11月20日，中国科学技术大学康彦彪、南京工业大学曲剑萍共同通讯在Nature在线发表题为“Photocatalytic low-temperature defluorination of PFASs”的研究论文。该研究报告了用一种高度扭曲的咔唑核超光还原剂KQGZ对全氟烷的除氟。在40~60℃的光催化条件下，一系列PFASs可被脱氟。聚四氟乙烯的主要产品是无定形碳和氟盐。全氟化合物、全氟辛烷磺酸（PFOS）、多氟辛酸（PFOA）等低聚全氟磺酸及其衍生物的脱氟产品为碳酸盐、甲酸盐、草酸盐和三氟乙酸盐。这样就可以将全氟磺酸中的氟作为无机氟化盐进行再循环。机理研究揭示了聚四氟乙烯和低聚全氟乙烯在反应行为和产物组分上的差异。这项工作为“永久化学物质”全氟化合物的低温光还原除氟，特别是聚四氟乙烯，以及新的超光还原剂的发现打开了一扇窗。
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氧化物负载过渡金属（TM）催化剂对于石油化工精炼和工业化学制造以及废气催化剂等环境控制系统至关重要。金属如何与气态反应物和下面的载体相互作用，即金属反应物相互作用（MRI）和金属-载体相互作用（MSIs），是负载金属催化剂的两个基石。而MRI决定活性和选择性，MSI有助于稳定分散的催化剂，并影响界面过程，如电荷转移、化学成分、周长位置、颗粒形态和亚氧化物包封。因此，调制MSI是提高催化剂性能的少数策略之一。尽管MSI在许多催化性能中起着关键作用，包括抗烧结性能，但MSI很难表征，因为它们对金属和载体的组成很敏感，并且随着相应的尺寸和形态、制备和反应条件等发生实质性变化。这些复杂性极大地限制了结构-功能关系的研究。为了量化MSI，已经通过实验和符号回归方法提出了许多描述符，例如金属亲氧性、金属表面能和电子密度。此外，还观察到金属-氧化物界面中存在金属-金属键。然而，在氧化物载体上发展金属催化剂MSI的综合理论仍然是多相催化的主要挑战。在这里，研究人员使用实验数据、可解释的机器学习、理论推导和第一性原理模拟来建立基于金属-金属相互作用（MMIs）和金属-氧相互作用（MOIs）的MSI的一般理论。研究发现，对于负载的晚期TM催化剂，MMIs的差异决定了MSI强度与不同氧化物的区别，尽管在考虑其他金属时，MOI成为MSI的主导因素。使用全局神经网络电位的分子动力学（MD）模拟表明，强MMI不仅促进了包封界面上金属-金属键的形成，而且还控制了包封动力学。因此，该研究提出了一个原则，强MSI，而不是强亲氧MSI，决定是否发生包封，这是由广泛的实验证实，包括10个晚期TMs和16个氧化物。该理论为理解MSI和SMSI以及各种界面过程提供了一个全面的框架，这将促进金属催化剂在载体上的精确设计。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6034
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