利用电子结构描述符将催化剂的微观电子性质与宏观反应性能建立定量关联，是推动催化剂设计由经验驱动向理性设计转变的核心路径。围绕这一目标，我校化工学院教授段学志、特聘研究员陈文尧团队在国际上率先提出并系统发展了“介观动力学”研究方法，强调在原子尺度电子结构与反应器尺度性能之间，引入可表征、可计算、可调控的中间尺度描述符，从而实现对复杂催化体系的理性设计与精准调控。其中，金属d带模型因其清晰的物理内涵和广泛的适用性，长期以来被视为连接微观电子结构与反应动力学的重要理论基础。
然而，在真实催化体系中，结构复杂性、界面效应及动态电荷转移等因素往往导致经典d带模型的应用面临挑战。如何突破理想化模型假设的限制，将电子结构理论有效嵌入介观动力学框架并服务于实际催化剂设计，仍是该领域亟待厘清的关键科学问题。近年来，该研究团队围绕催化剂电子结构调控与介观动力学耦合开展了系列原创性研究，在多尺度催化剂设计方面取得重要进展（J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 7829-7839; J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 25, 21526–21537; Nat. Commun., 2024, 15, 8995; Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202200190; Nat. Commun., 2021, 12, 6888）。在此基础上，研究团队受邀在《美国化学会志》上发表Perspective文章“Rationalizing the d‑Band Model from Theory to Practice in Catalyst Design”（J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 46729−46744），系统总结并提升了d带模型在真实催化体系中的理论内涵与实践路径。
该文章以经典Hammer–Nørskovd带模型为起点，回顾了应变效应与配体效应通过调控d带中心实现催化性能优化的理论基础，并进一步指出，传统“刚性d带”假设在强界面相互作用和显著电荷转移条件下存在内在局限。文章系统引入“柔性d带”概念，强调d带填充度、带宽及其与d带中心的协同变化在决定吸附与反应行为中的关键作用，从而为解释文献中长期存在的不同甚至相互矛盾的实验结论提供了统一的物理框架。
围绕“从理论到实践”的主线，该Perspective重点总结了近年来在d带结构实验表征方面的重要进展，系统比较了XPS、XANES、UPS及共振非弹性X射线散射（RIXS）等谱学手段在区分d带中心与d带填充方面的优势与局限，并通过多个代表性反应体系，阐明了不同反应环境、反应物成键特性及催化剂组成条件下电子结构描述符的“主控切换”现象。相关分析表明，单一电子描述符已难以全面刻画复杂催化行为，构建多描述符协同的电子结构设计范式势在必行。
在此基础上，作者进一步提出将多维d带描述符与高通量计算、机器学习模型及原位/工况谱学手段深度融合，形成“表征—理论—数据驱动”协同的介观动力学理性设计新路径，为突破传统活性–选择性权衡、实现复杂反应体系的精准调控提供了可行思路。该工作不仅系统厘清了d带模型在真实催化体系中的适用边界，也为下一代电子结构描述符的构建和应用奠定了重要理论基础。
该论文的第一作者为华东理工大学化工学院陈文尧特聘研究员，通讯作者为华东理工大学化工学院段学志教授、欧洲科学院院士陈德教授、化学与分子工程学院王海丰教授。上述研究工作得到了化工学院袁渭康院士、周兴贵教授等的悉心指导。此外，该研究还得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、上海市碳中和基础研究特区项目、上海市教委科研创新计划自然科学重大项目、上海市科委科技创新行动计划等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c17673
