催化剂变革：从试错合成到理性设计

催化是化学工业的基石，在材料科学研究中具有重要意义。大约90%的化学品在生产过程中均涉及催化剂利用。例如，合成氨领域中用于Haber–Bosch工艺的铁触媒催化剂。高效的催化剂可以加快反应速率，快速地促进各种分子的有效转化，这在化学、化工、能源、材料和环境科学的研究中具有重要意义。因此，高效、环保且易于操作的合成方法已被用于制备各种类型的催化剂。尽管先前的研究已经报道了上述催化剂的合成和表征，但更多的研究仍停留在试错方法上，没有对传统的合成方法进行更加深入的考虑和改进，这严重阻碍了催化剂的高效以及批量化生产。

在此项研究工作中，我们从试错法的角度系统性总结了不同尺寸纳米材料和单原子催化剂的制备策略。此外，在构效关系和DFT理论的指导下，也探究和总结了先进的纳米和原子级分散催化剂的制备案例。此外，我们还详细介绍了各种催化剂在不同领域的催化应用，如析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、氮还原反应（NRR）、CO2还原反应（CO2RR）、二氧化碳热催化加氢制燃料等。也希望未来，在AI技术的辅助下，实现高效催化剂的绿色、快速、批量化制备。我们坚信，本工作将会引起科学家、工程师和工业界的广泛兴趣，对致力于开发先进催化剂，进一步满足可持续能源的需求，为实现“碳中和”奠定理论指导和实践基础。

王立刚，清华大学化学系博士后，助理研究员，“水木学者”计划入选者，合作导师为李亚栋院士和王定胜副教授。主要从事单原子、团簇以及纳米材料的理性设计、可控制备及其在新能源及催化方面的研究，致力于开发高性能、长寿命、低成本的功能性结构材料，借助原位技术及DFT理论计算揭示其“构效关系”，注重其在绿色制氢等新能源领域的应用。其科研成果在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Research、Carbon Energy等国际顶级期刊上发表。

王定胜，清华大学副教授。2004年毕业于中国科技大学化学物理系获学士学位，2009年在清华大学化学系获博士学位。主要从事金属纳米催化方向的研究工作，目前已在Nature, Nature Nanotech., Nature Chem., Nature Catal.,Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.等国际顶级期刊上发表多篇高水平论文。2012年获全国优秀博士论文，2013年获国家优秀青年基金资助, 2018年青年人才拔尖计划等。

Wang L, Wu J, Wang S, et al. The reformation of catalyst: From a trial-and-error synthesis to rational design. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6037-8.

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