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仪表网 研发快讯】近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室计算和数据驱动催化研究组(511组)肖建平研究团队在碳纳米管限域催化理性设计研究方面取得新进展，研究团队通过机器学习和巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟，揭示了碳纳米管限域催化活性起源的微观机制，为理性设计高效限域催化剂提供了新的理论指导。
在多相催化中，催化剂的微环境与活性位点同样重要。碳纳米管作为一种具有明确微环境的材料，其内部受限空间可以显著影响化学反应的催化活性。前期，中国科学院大连化学物理研究所包信和院士、潘秀莲研究员团队的实验表明，管内的催化剂纳米颗粒与外部相比表现出不同的催化性能。例如，Fe在管内相较于管外可以使合成气转化(FTS)增强(J. Am. Chem. Soc.，2008)，而Ru在内部的活性却受到抑制(J. Am. Chem. Soc.，2015)。如果无法解释上述实验现象背后的化学起源，限域催化的理性设计也就非常困难。
本工作中，肖建平团队发现，碳管内的催化剂与反应物种的结合能普遍弱于外部，这种差异在不同温度、不同吸附物种和纳米颗粒尺寸下均存在。团队通过随机森林模型分析发现，管内团簇键长缩短是导致结合能减弱的主要因素，并在电子结构上使得d带中心下移。进一步，团队利用键长变化作为简化的描述符，通过微动力学模拟，解释了Fe和Ru在管内催化活性增强和抑制的现象。对于受限于反应物种重组或产物脱附的反应，限域效应可以促进活性；而对于受限于反应物吸附和解离的反应，限域效应则不利。上述发现为理性设计高效催化剂提供了新的思路。
相关研究以“Towards Rational Design of Confined Catalysis in Carbon Nanotube by Machine Learning and Grand Canonical Monte Carlo Simulations”为题，于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是中国科学院大连化学物理研究所511组博士研究生杨晨宇。以上工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、我所创新基金等项目的资助。(文/图 杨晨宇)
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