近日，郑州大学物理学院凝聚态计算与理论物理研究所李顺方教授团队在高效单原子催化剂设计方面取得重要进展：设计出一种动态受限单原子催化剂，相关研究成果以“Dynamically Confined Single-atom Catalytic Sites within a Porous Heterobilayer for CO Oxidation via Electronic Antenna Effects”为题，发表在国际知名物理类期刊《Physical Review B》上。郑州大学为第一单位，我院硕士研究生蒋博杰和张飞翔为共同第一作者，通讯作者为我院任晓燕副教授、李顺方教授和中国科学技术大学张振宇教授。

催化不仅在众多重要化学反应的过程中发挥着至关重要的作用，而且对于实现能源多元化、降低能源消耗、提高石油在化工行业的利用率具有现实应用和战略意义。在催化领域，近几十年来，单原子催化和受限催化这两个概念已在化学催化领域得到广泛应用。在化学反应过程中增强单原子催化剂活性位点的稳定性从而抑制其聚集以及避免其失去高效活性是目前单原子和受限催化领域的主要挑战。 目前，单原子催化剂的设计和制备普遍存在问题是单原子活性中心大多都是靠缺陷等锚定在衬底表面上，其稳定性得不到保障；而受限催化可以将活性中心受限在一些二维材料中从而有效抑制单原子的聚集。

本研究团队将单原子催化和受限催化这两个催化领域中的前沿概念相结合, 创新性地提出动态受限单原子催化剂设计思想。基于第一性原理计算方法，以多孔g-C₃N₄/MoS₂异质结作为受限单原子的典型衬底对CO催化氧化过程进行了物理机制分析。研究发现: 众多过渡金属原子能够以分散的单原子形式稳定受限在多孔双层异质结层间。在反应物分子竞争吸附过程中，O₂优先于CO分子吸附在活性中心过渡金属原子上，从而进行有效的CO氧化。有趣的是，研究发现活性中心单原子在CO氧化反应中作为“电子天线”动态调整其垂直位置、电荷和自旋态以促进反应过程，并在反应完成后返回其稳定的“三明治”构型内，反应机理如图1所示的蜜蜂工作原理：催化反应时，催化剂活性位点像小蜜蜂一样倾巢而出，完成电荷转移等“采蜜”工作，反应完后，自动安全返回“巢穴”；从而保障了单原子活性位点的稳定性，该工作得到审稿人的高度评价。

该项研究结果对于在实际应用中开发出基于孔状二维材料的稳定、高效的新型动态受限单原子催化剂具有重要的理论指导意义。

该工作得到了国家自然科学基金和郑州大学物理学科提升计划项目的支持。

全文链接： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.107.205421

图1：动态受限单原子催化剂反应机理示意图。