计算发顶刊！南开大学刘锦程，联手山大/清华两大「国家杰青」团队，新发Science子刊！

研究背景

金催化剂作为一种重要的催化材料，因其在CO氧化、氢气生产等领域的应用而受到广泛关注。与传统的过渡金属催化剂相比，金催化剂具有高效、选择性强等优点，尤其在低温催化反应中表现出卓越的催化活性。然而，金催化剂的催化机理尚未完全明确，特别是在不同尺寸金纳米粒子上的催化行为存在显著差异，这为其进一步应用带来了挑战。

成果简介

为了解决这一问题，南开大学刘锦程研究员、山东大学国家杰青贾春江、清华大学国家杰青李隽教授以及北京科技大学何洋教授等人合作在Science Advances期刊上发表了题为“Dynamic phase transitions dictate the size effect and activity of supported gold catalysts”的最新论文。

该团队通过深度势分子动力学（DPMD）模拟，系统研究了在一氧化碳氧化气氛下，不同尺寸的支持金纳米粒子的动态变化。研究发现，在一氧化碳气氛中，超小金纳米粒子（直径小于3纳米）会发生相变，其结构变得液态样无序。

这种液态样结构提供了大量的反应位点，使得CO氧化不仅仅发生在金/铈氧化物界面，而是可以在整个金纳米粒子上进行。这一发现通过催化实验得到了进一步验证，证明了金纳米粒子在动态变化下的催化活性显著提高。

研究亮点

1. 实验首次使用深度势分子动力学（DPMD）模拟，研究了不同尺寸的支持金纳米粒子在一氧化碳氧化气氛中的动态变化，揭示了金纳米粒子在一氧化碳气氛中的结构变化。

2. 实验通过DPMD模拟发现，超小金纳米粒子在一氧化碳气氛中经历了相变，结构变得高度无序，转变为液态样结构。这一液态样结构提供了大量的反应位点，使得一氧化碳能够在整个金纳米粒子上进行氧化，而不仅仅发生在金/铈氧化物界面。

3. 研究结果揭示了金催化剂在一氧化碳氧化反应中的结构动态效应，为理解贵金属催化中的尺寸效应和活性提供了新的视角，并为设计更高效的纳米催化剂提供了理论支持。

图文解读

图1. 基于PCA的训练集相似性图，包含34,158个结构的局部环境嵌入网络。

图2. 支持的Au61、Au287、Au576和Au2791纳米粒子在缺陷CeO₂(111)表面上的DPMD模拟。

图3. 不同尺寸Au纳米粒子的熔点（Tm）。

图4. CO氧化反应的TOF（反应速率常数）和反应机制。

图5. 不同直径Au纳米粒子在CO氧化反应中的统计TOF和催化实验。

结论展望

本文研究表明，Au NPs的稳定性和催化活性在尺寸上存在显著依赖性，小尺寸的Au NPs在CO气氛下更易发生无序化，这一发现有助于指导催化剂在实际反应条件下的性能预测。

其次，结合微动力学模型与实验研究，本文揭示了低温下的催化反应主要由低配位的Au原子驱动，符合联氨机制，而高温下则由M-vK机制主导，尤其在Au/CeO₂界面上，这一结论拓宽了我们对反应温度对催化反应机理的理解。

此外，研究提出了在低于460 K的温度下，小尺寸Au NPs的相变过程对催化活性起到了关键作用，推动了CO的吸附过程，进一步加速了催化反应。这些发现为深入理解催化剂在复杂反应条件下的动力学行为提供了理论依据，并强调了考虑金属纳米粒子尺寸的重要性，进而为高效催化剂的设计和实际应用提供了新的思路。

文献信息

Lei Zhou et al. ,Dynamic phase transitions dictate the size effect and activity of supported gold catalysts.Sci. Adv.10,eadr4145(2024).

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/24/c2c93f279c/

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