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纯计算！南开刘锦程/山大贾春江/清华李隽，新发Science子刊！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-26 08:18

正文

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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CeO ₂ (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

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