大家知道在藥物開發中，計算機輔助的藥物分子設計已經是非常普遍的研究手段。考慮到現在計算化學的不斷發展，通過理論計算的方式來對材料的性能進行預測和機理探索已經是一個很明顯的趨勢。

事實上，計算輔助催化劑的設計也在過去的一二十年取得了不小的進展，在催化類頂刊文章中，80%以上的工作使用DFT方法進行機理探究或材料預測。計算模擬給實驗工作者們提供了更有價值的“情報”，讓催化研究更加的“有的放矢”。

我們整理出頂刊發布的10篇計算輔助催化的優質工作，您也可以關注近期推送，獲取更多計算輔助實驗的信息。

1. 韋世強＆路軍嶺NatureCommunications：球差+XAFS+DFT，一套漂亮的催化組合拳！

基于ALD技術的自限反應特性，通過Bottom–up路徑精確控制合成了穩定的Pt2雙原子復合石墨烯結構催化劑。以球差矯正透射電子顯微鏡，X-ray 吸收精細結構光譜，結合理論計算，確定了催化劑的結構。隨后研究了催化劑在氨硼烷水解脫氫反應中的性能，反應機制以及雙原子簇的結構穩定性。

使用密度泛函理論（DFT）計算模擬單原子的存在狀態及其與載體的相互作用，特別是比較了單原子催化劑Pt1/Graphene和雙原子催化劑Pt2/Graphene的區別。計算表明，Pt2/Graphene-R的頂部Pt原子對AB和H₂的吸附相對Pt1單原子較弱，這些因素使其具有優異的催化性能。

Yan H, Lin Y, Wu H, et al. Bottom-up precise synthesis ofstable platinum dimers on graphene[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 1070.

2．北大馬丁團隊Nature: 首次利用Pt/α-MoC催化劑實現低溫甲醇/水反應產氫

北京大學馬丁與中國科學院大學周武、山西煤化所/中科合成油溫曉東以及大連理工大學石川研究團隊研制了雙功能Pt/MoC甲醇液相重整制氫復合催化劑體系，利用程序升溫滲碳工藝將甲烷和氫氣同各種前驅體混合在一起，制成多種鉑改性的碳化鉬催化劑。

研究人員借助第一性原理計算進一步研究Pt/α-MoC催化劑的結構和電子特性以及反應機理。模擬計算結果表明，α-MoC和鉑之間確實具有更為強烈的相互作用，并且原子級分散的Pt物種的幾何結構最大化了Pt/α-MoC的暴露活性界面，有效提高了反應的活性位點密度。

Lin L, Zhou W, Gao R, et al. Low-temperature hydrogenproduction from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts[J]. Nature, 2017, 544(7648): 80.

3. TobiasRitter課題組 Nature：Pd催化惰性芳香烴的C-H鍵氟化

Tobias Ritter課題組成功實現了無導向基參與的惰性芳香烴C-H鍵的氟化反應，通過催化量的Pd(II)絡合物與N-F型親電氟化試劑現場生成活性更高的氟化Pd(IV)物種，并在溫和的條件下與多種缺電子或富電子芳香烴發生C-H鍵氟化反應，生成鄰位和對位取代的氟代芳香烴產物。作者對該反應提出了三種可能的機理，DFT計算確定了最佳的反應路徑，即經歷過渡態TS的單電子轉移/氟負離子遷移/單電子轉移機理。

Yamamoto K, Li J, Garber J A O, et al. Palladium-catalysedelectrophilic aromatic C–H fluorination[J]. Nature, 2018, 554(7693):511.

4. 王丹課題組 Nature chemistry：sp雜化氮摻雜的少層石墨炔用于ORR電催化性能

中科院過程所王丹、Nailiang Yang以及中科院化學所李玉良、北京師范大學朱嘉等人合作，報道了一種sp雜化氮摻雜的少層石墨炔，實現了全方位的高效ORR電催化性能。研究表明，這種sp-N摻雜的石墨炔在ORR測試中，無論是峰值電勢、半波電勢還是電路密度，都有優異的效果。在堿性條件下，其活性可媲美商業Pt/C,且動力學更快；在酸性條件下，活性較商業Pt/C略遜一籌，但是已經完勝其他非金屬材料。

DFT計算表明，sp-N比pyri-N 和grap-N具有更大的負電荷密度，從而導致相鄰C原子具有更大的正電荷密度，最終加速催化劑表面的O₂吸附和電子傳遞，實現更高的催化活性。

Zhao Y, Wan J, Yao H, et al. Few-layer graphdiyne doped withsp-hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites for oxygen reductionelectrocatalysis[J]. Nature chemistry, 2018: 1.

5. 孫學良課題組 NatureConmmunications：鉑單原子和納米簇催化氫析反應

加拿大西安大略大學孫學良教授，麥克馬斯特大學GianluigiA. Botton，北京計算科學研究中心劉利民等人利用原子層沉積技術生產鉑單原子和納米簇催化劑。該研究使用ALD技術制備了由N摻雜石墨烯上做載體的用于HER的新型Pt催化劑。Pt催化劑的尺寸范圍從單原子，亞納米簇，到納米顆粒，其通過調節ALD循環的數量精確控制。與商業Pt / C催化劑相比，單個Pt原子和原子簇顯示出異常高的HER活性和穩定性。單一Pt原子和原子簇的顯著性能源于它們的小尺寸，以及N摻雜石墨烯上的單個Pt原子的吸附的獨特電子結構，并通過XANES和DFT分析所證實。這項工作為基于單Pt原子和原子簇的高活性和穩定性的下一代催化劑的設計提供了新的方法，具有降低商業貴金屬催化劑的高成本的巨大潛力。

Cheng N, Stambula S, Wang D, et al. Platinum single-atom andcluster catalysis of the hydrogen evolution reaction[J]. Nature communications,2016, 7: 13638.

6.郭少軍＆黃小青Nature communications：Pt-Co納米線高效ORR性能

郭少軍和黃小青合作報道了一種新型的多級結構Pt-Co合金納米線，具有良好的電化學穩定性和熱穩定性。富鉑的高指數晶面和有序的間金屬結構，賦予其高效的ORR和乙醇氧化催化性能。這種Pt-Co納米線對于ORR的比活性和質量活性分別是商業Pt/C催化劑的39.6倍和33.7倍。DFT計算表明，ORR的活性主要來源于PtCo納米線中[110]和[310]]高指數晶面的空心位點。

Bu L, Guo S, Zhang X, et al. Surface engineering ofhierarchical platinum-cobalt nanowires for efficient electrocatalysis[J].Nature communications, 2016, 7: 11850.

7. 鐘良樞＆孫予罕Nature：Co₂C用于合成氣直接合成烯烴

鐘良樞和孫予罕課題組通過采用全新催化劑活性位結構，該項研究實現了在溫和條件下合成氣高選擇性直接制備烯烴。為了研究Co₂C的催化機理，他們采用了DFT計算Co₂C各個主要晶面的反應能壘，證明Co₂C的活性位為{101}和{020}面，計算結果與實驗結果一致。

Zhong L, Yu F, An Y, et al. Cobalt carbide nanoprisms fordirect production of lower olefins from syngas[J]. Nature, 2016, 538(7623): 84.

8. YangShao-Horn團隊Nature Chemistry：氧化物電催化氧析出，部分氧氣來自催化劑晶格氧

YangShao-Horn研究團隊利用¹⁸O同位素標記在線電化學質譜方法分析表明，在鈣鈦礦型含鈷金屬氧化物催化 OER 反應過程中，產生的部分氧氣來自于晶格氧。這一晶格氧的氧化在不同pH下具有不同的氧析出活性，這說明該 OER 反應包含非協同質子-電子轉移步驟。

通過DFT計算材料中的電子結構和反應的ΔG，作者認為增強催化劑的金屬-氧鍵的共價性，能促進晶格氧的氧化、發生非協同質子-電子轉移過程。

Grimaud A, Diaz-Morales O, Han B, et al. Activating latticeoxygen redox reactions in metal oxides to catalyse oxygen evolution[J]. Naturechemistry, 2017, 9(5): 457.

9. Rapha?l Chattot和Frédéric Maillard課題組 Nature materials：表面畸變情況與ORR催化性能的關系

法國研究人員Rapha?l Chattot、Frédéric Maillard等研究人員通過同步輻射X射線衍射（WAXS）研究了C負載的球形、立方塊、八面體、中空結構PtNi催化劑，PtNi氣凝膠和海綿狀PtNi催化劑，以及商業Pt/C(Pt/C TKK)，負載于C上的Pt立方塊(cube Pt/C)，老化后的Pt/C(A-Pt/C)和老化后的PtNi/C (A-PtNi/C)在新制備和不同處理條件下的表面畸變情況，以此研究其與ORR性能的關系。通過測定的微觀畸變量可知，除Pt/C TKK和cube Pt/C具有較小的畸變外，其他的催化劑都具有一定的畸變。尤其是對于無序結構的PtNi合金催化劑，DFT理論計算和實驗表征都發現其畸變量與Ni的含量有直接關聯，暗示其中的元素分布不均衡是畸變的根源。

Chattot R, Le Bacq O, Beermann V, et al. Surface distortionas a unifying concept and descriptor in oxygen reduction reactionelectrocatalysis[J]. Nature materials, 2018, 17(9): 827.

10. Avelino Corma課題組 Nature Catalysis：以反應中間體作為有機結構導向劑進行MTO分子篩催化劑的設計與合成

西班牙瓦倫西亞化工技術研究所（ITQ）的Avelino Corma研究團隊通過MTO反應過程中的中間體為導向劑，設計合成了一系列新穎的分子篩催化劑。

作者還通過DFT計算進一步闡釋了兩種不同類型的分子篩中反應中間體穩定存在的可能性以及反應過程中各種中間體的能量變化。分子篩獨特的孔道結構可以將反應中間體穩定在分子篩中，由于與分子篩的相互作用，中間體分子的能量更低。通過反應過程中各種中間體的能量變化曲線，作者還進一步比較了兩種不同類型分子篩（CHA/RTH）中反應路徑的變化。

Li C, Paris C, Martínez-Triguero J, et al. Synthesis ofreaction‐adapted zeolites as methanol-to-olefinscatalysts with mimics of reaction intermediates as organic structure‐directing agents[J]. Nature Catalysis, 2018, 1(7): 547.

內容來源：X-mol資訊、納米人、研之成理等。