近日，广东以色列理工学院钟子宜教授（Ziyi Zhong）课题组联合以色列理工学院Charlotte Vogt教授课题组及斯坦福大学的Simon R. Bare教授在国际顶级期刊Chemical Society Reviews (影响因子：40.4) 上发表题为 “Metal–support interactions in metal oxide-supported atomic, cluster, and nanoparticle catalysis” （单原子、团簇、和纳米颗粒金属负载型氧化物催化剂中的金属-载体强相互作用） 的综述文章。该成果历经两年科研攻关，充分彰显了广以学者在化工领域的深厚底蕴与成就，有效推动了学校学术影响力的持续扩大。

期刊简介 

Chemical Society Reviews是英国皇家化学学会旗下的顶级综述性期刊，属于一级学科顶级期刊，在化学、化工以及材料学科领域享有极高的学术影响力和权威性，所刊发的论文对相关领域的发展具有重要的引领和指导作用。

论文直达

DOI: 

10.1039/D4CS00527A

链接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2024/cs/d4cs00527a

研究背景

催化是化学工业的核心，其间接影响着包括约 80% 的能源需求以及所有温室气体排放的 75%。工业中两类应用最广泛的多相热催化剂是负载型金属催化剂（SMC）和固体酸催化剂。SMC 催化剂中有一类非常重要的现象，即金属与载体强相互作用 (SMSI)。它首先由Tauster 等在上世纪70年代发现：可还原性载体如TiO2在高温下可迁移至金属颗粒表面，但非还原性载体则几乎无此类现象。当时这方面研究偶见报道，但并不深入。然而，近年来的研究揭示了SMSI的多种表现形式(见表1), 如电子转移的SMSI（EMSI）和通过强共价键连接的共价SMSI（CMSI）；在特殊条件下非还原性载体SMC也观察到SMSI现象，还有单原子催化剂中的MSI等。

SMSI深刻影响催化剂的电子性质与结构，进而影响其催化性能。近些年尽管有较好的文献，但对这些复杂的SMSI现象仍然缺乏深入的了解，尤其是理论解释。

成果简介

在本综述中，作者对金属-载体强相互作用（SMSI）展开全面深入的剖析，解决了多个关键问题：（1）对SMSI提出全面的分类；（2）深入挖掘文献中的数据，结合半导体理论，对SMSI现象进行了深入的理论解析；（3）总结了SMSI的效应，调控/设计策略，表征方法；（4）分析了SMSI对催化剂稳定性、催化活性的影响；（5）总结、讨论未来的发展方向和待克服的挑战。

该文特点之一是首次用电子结构等参数，如费米能级、功函数及表面能、金属氧化物还原性、吸附热等解析金属与载体强相互作用程度，以及对催化反应影响进行关联。SMSI会造成电子转移、几何结构调整等。如通过对费米能级的差异分析，半导体理论表明电子会从高费米能级的金属迁移到低费米能级的载体，或反向进行。这种电子重新分布加强了金属和载体的结合力，从而实现更强的相互作用。例如，在Fe和TiO?的系统中，由于费米能级差异，电子从Fe转移到TiO?的导带中，从而在TiO?一侧形成电子富集的界面，这在催化活性中起到重要作用。

除对SMSI分析与表征方法进行评述外，对未来该领域发展也进行了预测，如动态SMSI是近年研究的热点之一，指在反应条件变化时，金属-载体之间的相互作用和催化剂结构发生相应调整。这一特性使催化剂在不同反应条件下表现出更好的适应性和稳定性。例如，通过动态调整金属颗粒的电子结构，可以增强催化剂的抗毒化能力和反应效率。

SMSI的研究成果在工业催化中具有广阔的应用前景，如在CO?转化、加氢、脱氢等过程中的应用。未来，随着对MSI的研究不断深入，科学家有望通过精确设计的MSI催化剂，实现对复杂反应体系的高效、绿色转化，推动催化科学和人类社会可持续发展。

图文导读

表1

金属-载体相互作用的分类

图1

负载型金属单原子、团簇和纳米粒子的几何和电子效应

图2

氢还原和氧空位形成后TiO2中c-SMSI形成的简化示意图

图3

不同掺杂类型和费米能级位置情况下的电荷重新分布和能带弯曲示意图。(A) n型施主掺杂的metal oxide (MO)，MO的费米能级高于金属的费米能级；(B) n型施主掺杂的MO，MO的费米能级低于金属的费米能级；(C) p 掺杂MO的费米能级高于金属的费米能级；(D) p 掺杂 MO，MO 的费米能级低于金属的费米能级。

钟子宜(Ziyi Zhong)

广以化学工程系副主任

钟子宜教授于2018年10月加入广东以色列理工学院。他毕业于武汉大学和南京大学，分别获学士、硕士以及博士学位，之后在以色列巴伊兰大学、美国华盛顿大学以及新加坡国立大学从事5年博士后研究。2002年，他获得加拿大政府（NSERC）访问学者奖学金并在蒙特利尔的国立生物技术研究所（BRI）工作。02/2003-09/2018期间，他在新加坡科技局 (A*star) 下的化学和工程科学研究院从事研究工作，同时在2013-2017 期间在新加坡南洋理工大学任兼职副教授，及2016-2018期间在新加坡南洋理工大学南洋环境和水研究所(NEWRI) 兼职。

在加入GTIIT之前，他主持和参与了多个与多相催化、材料科学、废水处理、制药等相关的工业研究项目，其中一些工业项目得到了康宁（Corning Inc., 美国）、霍尼韦尔（Honeywell, 美国）、三菱化学（日本）、MicroMil CarbonTech（新加坡）、葛兰素史克（GSK）等公司的资助。他已经发表/合著国际期刊论文约280篇（被引约20800次），书7章，获专利10（其中美国专利3项），h指数75（谷歌学术）。此外，他还撰写和贡献了约30份工业项目报告。（个人谷歌学术引用报告：https://scholar.google.com/citations?user=qjIBW-QAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao）

在GTIIT，他建立了一个绿色催化实验室，主要研究方向如下: 多相催化，特别是与环境催化有关的纳米催化剂的设计和合成；废水处理；表面化学。

文/图：钟子宜，GTIIT传媒与公共事务部

Text/Photos: Ziyi Zhong, GTIIT News & Public Affairs