近日，我校催化反应工程团队段学志教授、曹约强特聘研究员在数据驱动电催化选择性加氢催化剂设计方面取得新进展。针对复杂催化材料空间庞大、传统试错方法难以实现高效筛选的问题，研究团队构建了从理论数据集构建、描述符驱动预测和候选材料筛选到催化剂制备、性能评价与机理验证的完整研究流程。相关研究成果以“Data-Guided Discovery of Cu-Host Single-Atom Alloys for Selective Electrohydrogenation via Intermediate Hydrogen Binding”为题在线发表于《美国化学会志》。
电催化选择性加氢涉及反应物吸附、表面活性氢生成、目标产物形成及竞争性析氢等多个相互耦合的过程，其活性与选择性高度依赖于催化剂表面氢物种(H*)的吸附强度。单原子合金体系能够在原子尺度上精确调控活性位点的电子结构与局域配位环境，从而在保持主体金属稳定性的同时，引入可调控的孤立活性中心，实现对H*吸附强度的精准调控。与此同时，单原子客体组分与主体金属的组合空间极为庞大，元素搭配与局域结构变化带来指数级增长的材料可能性，仅依靠实验试错难以快速识别具有适宜H*吸附强度的催化材料。为此，研究团队系统计算了系列铜基单原子合金的H*吸附特性，构建了融合吸附能、电子结构和元素本征性质的材料数据库，并建立可解释机器学习模型，实现了对不同单原子合金H*吸附强度的快速预测，同时辨识出影响其吸附行为的关键材料特征。在此基础上，研究团队从候选材料空间中筛选出具有适中H*吸附强度的Pt1Cu催化剂。
研究团队进一步以5-羟甲基糠醛选择性电催化加氢为模型反应，对筛选结果和设计判据进行了实验验证。Pt1Cu催化剂在较宽电位区间内实现了超过90%的目标产物法拉第效率，并有效抑制析氢反应和副产物生成；以H*吸附强度指导催化剂设计的原则在糠醛电催化加氢中同样得到验证。电化学动力学分析、原位光谱表征和密度泛函理论计算表明，Pt单原子的引入能够有效调控铜表面H*吸附特性。适中的H*吸附强度有助于平衡活性氢的生成与加氢反应，并适度稳定加氢中间体，从而促进目标加氢路径并抑制竞争反应。该研究不仅发现了具有优异选择性电催化加氢性能的Pt1Cu催化剂，也建立了由描述符选取、理论数据集构建、机器学习预测、实验验证和机理分析组成的数据驱动催化剂设计范式，为从复杂材料空间中高效发现催化剂提供了新的研究思路，并展现出向其他催化材料体系和反应场景拓展的潜力。
该论文的第一作者为博士研究生井运道和葛小虎特聘研究员，通讯作者为催化反应工程团队段学志教授和曹约强特聘研究员。论文研究工作得到了袁渭康院士、陈德院士和周兴贵教授的悉心指导。此外，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部基础学科和交叉学科突破计划和上海市教委/科委等项目的支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.6c11060
