金属催化剂，特别是钯（Pd）和铂（Pt），在工业中扮演着至关重要的角色。从石油化工到精细化学品合成，它们无处不在，支撑着现代工业的运转。然而，关于这些催化剂的认知，长期以来都停留在对其静态结构的简单理解上。直到近年来，随着研究的深入，一个颠覆性的发现逐渐浮出水面：这些催化剂的表面并非静止不变，而是在反应过程中不断发生重构，如同生命体一般动态地适应着环境的变化。这种动态性，直接决定了催化反应的效率和产物的选择性，而理解和控制这种重构，成为了推动催化领域发展的关键。
贵金属的“变形金刚”：催化剂表面重构之谜
催化剂的表面重构，指的是催化剂在反应过程中，其表面原子结构发生的变化。这种变化可以是原子位点的移动、重组，也可以是不同元素的相互作用，甚至是相态的转变。这种重构并非随意发生，而是受到多种因素的综合影响，包括反应物的性质、反应环境的温度、压力，以及催化剂本身的特性等等。而Pd和Pt作为工业催化中应用最广泛的贵金属，它们的表面重构研究尤为引人关注。
表面重构对于反应选择性的影响，就好比一把钥匙的齿形决定了它能够开启哪些锁。即使是相同的反应物，在不同的催化剂表面结构下，也可能产生截然不同的产物。因此，理解和控制催化剂的表面重构，就能够像“点石成金”一般，定向控制化学反应，从而提高反应的效率，降低成本，甚至创造新的合成路线。
Hao Li实验室开发的数字催化平台，结合密度泛函理论（DFT）计算、Pourbaix分析和微动力学建模等理论方法，为深入研究Pd和Pt催化剂的表面重构提供了强大的工具。这些技术能够模拟催化剂表面的动态变化，预测反应路径和产物分布，从而为实验设计和催化剂优化提供指导。通过这些研究，科学家们发现，在电解质成分、外部偏压等因素的影响下，Pd和Pt催化剂的表面会发生重构，形成新的活性位点，从而改变反应路径和产物分布。
超越Pd和Pt：金属催化剂的“百变”特性
尽管Pd和Pt是研究的热点，但催化剂表面重构现象并非仅限于这两种贵金属。研究发现，其他金属催化剂，例如镍（Ni）、金（Au）等，也展现出类似的特性。
- 铂的加入： 将铂原子引入还原氢氧化物（HT）衍生的镍（Ni/HT）催化剂表面，可以显著提高催化剂的活性、选择性和抗焦炭能力。这说明，通过改变金属组成，同样可以影响催化剂的表面结构，进而影响其催化性能。
- 金钯组合： 在金（Au）基催化剂中，通过精确控制金和钯原子的排列，可以调控CO2加氢反应的选择性。研究人员设计了原子级精确的Au9和Au8Pd1簇，嵌入蒙脱石中作为多相催化剂，用于催化CO2加氢反应。
- 载体材料的作用： 锶钛酸盐（SrTiO3）作为一种载体材料，在锚定、隔离金属原子和参与催化反应方面发挥着独特的作用，尤其是在塑料废弃物转化为高附加值化学品的过程中。
这些案例表明，催化剂的性能不仅仅取决于金属本身的特性，还受到表面结构、金属间相互作用以及载体材料等多种因素的综合影响。通过精心设计，可以利用这些因素来调控催化剂的性能，从而实现高效、选择性的催化反应。
表面重构与反应环境：动态变化的“跷跷板”
催化剂表面的重构并非孤立发生，而是与反应环境密切相关，如同一个动态的“跷跷板”。反应物、电势、温度、压力等因素，都会对催化剂的表面结构产生影响，进而影响反应的选择性。例如，在丙烯电氧化过程中，Pd或Pt催化剂的产物选择性受到电势的影响。研究人员通过结合先进的理论方法，揭示了这种电势依赖性选择性的内在机制，为开发更高效的电催化剂提供了指导。此外，催化剂表面的重构也受到反应物的影响。例如，在Pt簇在纯硅MFI沸石结构中的存在下，CO、O2和/或H的存在会导致其结构发生转变。
为了更好地理解催化剂在实际工作条件下的行为，研究人员正在积极开发原位表征技术。这些技术能够在反应过程中实时监测催化剂的表面结构和组成，从而揭示表面重构的动态过程。例如，利用原位成像技术，可以观察催化剂表面的原子运动，以及活性位点的形成和消失。这些信息对于理解催化反应的机制至关重要。
未来，催化剂的研究将更加注重对催化剂表面重构的深入理解和精确调控。这需要开发新的原位表征技术和模拟方法，以及探索新的催化剂材料和结构。此外，还需要关注催化剂失活的问题，以及如何通过表面重构来恢复催化剂的活性。通过不断深入的研究，我们有望设计出更高效、更可持续的催化剂，为化学工业的发展做出贡献。例如，通过在过渡金属中掺杂Bi，可以改善AuPd双金属体系的活性。通过降低过渡金属的配位结构对称性，可以增强d-π相互作用，从而提高催化性能。
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