中國科學家發文展望金屬催化劑電子結構調控發展路徑

近日，華東理工大學化工學院教授段學志、特聘研究員陳文堯團隊受邀在《美國化學會志》上發表“前瞻性（Perspective）文章”，系統總結并提升了d帶模型在真實催化體系中的理論內涵與實踐路徑，不僅厘清了d帶模型在真實催化體系中的適用邊界，也為下一代電子結構描述符的構建和應用奠定了重要理論基礎。

近年來，研究團隊圍繞催化劑電子結構調控與介觀動力學耦合開展了系列原創性研究，并在國際上率先提出并系統發展了“介觀動力學”研究方法，強調在原子尺度電子結構與反應器尺度性能之間，引入可表征、可計算、可調控的中間尺度描述符，從而實現對復雜催化體系的理性設計與精準調控。

該文章以經典Hammer–N?rskov d帶模型為起點，回顧了應變效應與配體效應通過調控d帶中心實現催化性能優化的理論基礎，并進一步指出，傳統“剛性d帶”假設在強界面相互作用和顯著電荷轉移條件下存在內在局限。

文中系統引入了“柔性d帶”概念，強調d帶填充度、帶寬及其與d帶中心的協同變化在決定吸附與反應行為中的關鍵作用，為解釋文獻中長期存在的不同甚至相互矛盾的實驗結論提供了統一的物理框架。

圍繞“從理論到實踐”的主線，文中則重點總結了近年來在d帶結構實驗表征方面的重要進展，系統比較了多種譜學手段在區分d帶中心與d帶填充方面的優勢與局限。同時，文中闡明了不同反應環境、反應物成鍵特性及催化劑組成條件下電子結構描述符的“主控切換”現象。相關分析表明，單一電子描述符已難以全面刻畫復雜催化行為，構建多描述符協同的電子結構設計范式勢在必行。

在此基礎上，作者進一步提出將多維d帶描述符與高通量計算、機器學習模型及原位/工況譜學手段深度融合，形成“表征—理論—數據驅動”協同的介觀動力學理性設計新路徑，為突破傳統活性–選擇性權衡限制、實現復雜反應體系的精準調控提供了可行思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c17673