2024年1月23日，Nat. Chem.在线发表了伦敦大学学院Romain Réocreux
课题组的研究论文，题目为《
Ten-electron count rule for the binding of adsorbates on single-atom alloy catalysts
》。
近年来，单原子合金（SAAs）作为一种高活性和高选择性的合金催化剂而出现。与纯金属不同，单原子合金
摆脱
了近三十年前
发展起来用于预测催化性能的既定概念框架
。尽管这为探索迄今为止无法实现的化学物质提供了机会，但这
使
没有一个简单的指南来设计能够催化
目标
反应的单原子合金。
在此研究中，基于数千个密度泛函理论（DFT）计算，作者揭示了吸附
物
与掺杂原子（通常是单原子合金表面的活性位点）结合的
十电子计数规则
。在大量的
单原子合金
表面上筛选了各种催化相关的吸附物，研究发现
当金属掺杂
剂的v
M
价电
子和与掺杂剂相互作用的吸附物的k价电子之和达到10时，吸附物与掺杂剂的相互作用最强：
v
M
+ k = 10
。对吸附在
单原子合金
表面上吸附物的电子结构进行详细分析，支持了十电子计数规则，并将其推广到分子吸附物中。
对于3d掺杂剂，无论吸附物的性质如何，对Ti和V或Fe和Co的结合都是最强的
。
对于4d和5d掺杂剂，当吸附物的电子填充并饱和掺杂剂的d轨道时，趋势显示出具有最强结合的单一极值
，因此是十电子计数规则。在这种情况下，结合最强的掺杂剂取决于吸附物的性质。
最后，研究证明在没有昂贵的DFT计算或复杂的机器学习模型情况下，
该
规则为设计具有工业意义的目标反应的
单原子合金
催化剂提供了深刻的指导，
如本研究所示的氮还原反应
。
事实上，研究说明了电子计数规则提供的独特见解如何帮助确定工业相关加氢反应中最有前途的掺杂剂，从而将潜在材料的数量减少一个数量级以上。
图1
掺杂过渡金属单原子的Au基SAA表面上原子吸附物(O, N, C, H)结合能的周期变化趋势
图2
H和N在双核配合物和SAA表面与过渡金属结合的电子态比较
图4
氮加氢生成二氮烯基NNH
Schumann, J., Stamatakis, M., Michaelides, A. et al. Ten-electron count rule for the binding of adsorbates on single-atom alloy catalysts.
Nat. Chem.
,
2024
. https://doi.org/10.1038/s41557-023-01424-6
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