近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組肖建平研究員團(tuán)隊(duì)受邀撰寫(xiě)并發(fā)表了題為“Toward computational design of chemical reactions with reaction phase diagram”的綜述文章，闡述了基于“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”的理論催化研究策略和基于“反應(yīng)相圖”的催化設(shè)計(jì)新方法。
對(duì)于具有“高維”復(fù)雜性的多相催化反應(yīng)，可以通過(guò)建立一系列的線性關(guān)聯(lián)，例如吸附能之間的scaling關(guān)系，能壘和反應(yīng)能之間的BEP關(guān)系等對(duì)其進(jìn)行“降維”，并通過(guò)進(jìn)一步的速率計(jì)算得到一系列催化劑表面催化活性的變化趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)催化劑設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)理論催化設(shè)計(jì)方案主要為：吸附能之間線性關(guān)聯(lián)的建立 能壘與反應(yīng)能線性關(guān)聯(lián)的建立 速率計(jì)算 催化劑設(shè)計(jì)。然而，由于反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)催化活性趨勢(shì)往往建立在假定催化路徑的基礎(chǔ)上。同時(shí)，過(guò)多的基元過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致速率求解的困難。因此，在“理論先行”的催化劑設(shè)計(jì)中，這些因素都會(huì)提高設(shè)計(jì)成功的風(fēng)險(xiǎn)，影響其準(zhǔn)確性。
大連化物所發(fā)表基于“反應(yīng)相圖”的催化反應(yīng)設(shè)計(jì)綜述文章
在“反應(yīng)相圖”的理論催化研究的新范式中，該團(tuán)隊(duì)首先建立了特定催化反應(yīng)的“全反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”，通過(guò)“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”的研究策略，可以得到不同反應(yīng)相中可能出現(xiàn)的不同最優(yōu)反應(yīng)路徑，由此建立第一級(jí)的熱力學(xué)反應(yīng)相圖；進(jìn)一步改進(jìn)能壘和速率計(jì)算，得到更為準(zhǔn)確的催化活性趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)催化劑設(shè)計(jì)?！胺磻?yīng)相圖”的理論催化研究新范式主要為：反映網(wǎng)絡(luò)的全局建立（線性關(guān)聯(lián)的建立） 基于“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”的“反應(yīng)相圖”的建立 動(dòng)力學(xué)“反應(yīng)相圖”的建立 催化劑設(shè)計(jì)。
該團(tuán)隊(duì)基于“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”和“反應(yīng)相圖”的研究策略，發(fā)現(xiàn)了二氧化碳電催化還原制甲酸的雙頂點(diǎn)活性趨勢(shì)（Nat. Commun.，2020；Adv. Mater.，2021），深入討論了氧還原過(guò)程中的電壓對(duì)活性趨勢(shì)的影響（J. Phys. Chem. C，2020），以及合成氣轉(zhuǎn)化中的選擇性問(wèn)題（Chem，2020），并以“理論先行”成功設(shè)計(jì)了銅基電極材料進(jìn)行一氧化氮電還原合成氨的催化過(guò)程（Angew. Chem. Int. Ed.，2020）。
該綜述發(fā)表在WIREs Comput. Mol. Sci.上。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)（B）“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”和遼寧省“興遼英才計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。
