《Science》：更快的设计，更好的催化剂

催化剂对于化学的重要性不言而喻，毫不夸张的说，几乎整个化学工业都非常依赖催化反应。不过，设计一种新的高效催化剂并不容易，常用的催化剂评估方法往往不能用来指导新催化剂的设计，而其它通过计算机模拟对催化剂表面过程进行建模的方法，随着原子数量增加，其量子化学计算很快就变得极为复杂。最近《Science》杂志刊登一个由德国、法国、荷兰科学家组成的研究团队的论文，提出了一种更简单的方法，可更快地设计更好的催化剂。

测试铂电极。图片来源：Technical University of Munich

以氢燃料电池中常用的氧还原催化剂“铂”为例，众所周知，这种非常昂贵的催化剂表面上并不是所有原子都有催化活性，仅仅只有特定的区域才有，这些区域被称为“活性中心”。该研究团队研究的正是怎样构建出这些“活性中心”。他们提出一种名为“配位-活性表”（coordination-activity plots）的新方法，来巧妙地预测最佳催化位点的几何形状。这一方法基于“广义配位数（generalized coordination number, GCN）”，计算一个原子的邻近原子数量以及这些邻近原子的配位数。

还是以“铂”为例，计算得到经典铂（111）晶面的GCN值为7.5，而根据配位-活性表，最佳催化剂的GCN值应达到8.3。研究人员们利用这种新方法设计了一种新的氢燃料电池铂基催化剂，并用三种不同的方法进行了制备。实验结果显示，所制备的三种催化剂的催化活性都提高了3.5倍。

“这一工作为催化剂的开发开启了全新的模式——基于几何原则的材料设计，这应该能够比基于能量的方法更加深入，”论文第一作者Federico Calle-Vallejo说。“该方法的另一个优点是它很明确地基于化学基本原理之一——配位数，这更有利于计算设计的实验实现。”

“有了这些知识，我们或许能够开发一些纳米粒子，包含更少量的铂甚至其它具有催化活性的金属，”论文的通讯作者之一慕尼黑工业大学Aliaksandr S. Bandarenka教授说。“将来，我们或许也能够将该方法扩展到其它的催化剂和工艺中。”

1. http://www.sciencemag.org/content/350/6257/185

2. http://www.sciencemag.org/content/350/6257/164.summary