近日，上海师范大学化学与材料科学学院万颖教授课题组在Nature子刊Nature Communications上发表题为“Optimising surface d charge of AuPd nanoalloy catalysts for enhanced catalytic activity”的论文，发现了实验测量的金属表面d带电荷密度作为催化活性的描述符，为催化剂理性设计提供基础。
催化剂是现代化学工业的基础。在传统的“试错法”中，往往基于催化剂制备-电子结构表征-催化特性测试，多循环“试错”进行研发。发现标识催化反应活性/选择性的“描述符”，据此精准设计和调控催化材料表界面电子结构，是催化剂创制和催化理论发展的关键问题之一。利用过渡金属表面d带中心(d-band center)，可以关联吸附分子在金属表面上的吸附能或吸附热，后者通常用作标识化学反应速率的描述符，并基于此进行催化剂筛选。但此类描述符难以用于复杂的催化反应体系且不易被实验测量。
万颖课题组利用XPS和XANES技术测量了Pd位点上d带电荷密度。发现Pd表面d带电荷密度与由反应物生成活性络合物的标准熵变(ΔS0*)和催化转化频率(TOFPd)之间具有很好的正依存关系，阐明了杂化轨道中未参与金属键的d轨道对吸附络合物稳定化能和催化活性的决定性影响。此工作的前提是获得Pd-Au配位数可连续调控的介孔炭载AuPd纳米合金，并排除金属表面偏析、聚集和流失对反应活性的影响。
实验测量的金属表面d带电荷密度描述符的发现，突破了理论计算描述符的局限性，有望在较复杂的反应中实现催化剂设计。通过系统研究和体系拓展，将为过渡金属和合金催化剂的理性设计提供理论基础。
万颖教授团队主要研究领域涉及介孔炭载金属催化剂的理性设计与合成。面向精细化学品合成(如选择氧化、选择加氢、C-H键功能化等)，致力于：(1) 发现实验测量的催化活性描述符，突破基于理论计算描述符的局限性，为催化剂理性设计和催化理论的拓展提供基础；(2) 针对Pd催化的C-H键功能化反应，精准调控金属表面电子结构，阐明C-C键形成和精准构建机制；(3) 创制稳定的介孔炭载金属催化剂，解决传统活性炭载金属催化易流失、团聚、中毒的难题。该文得到了国家自然科学基金委、教育部、上海市科学技术委员会、上海师范大学资源化学国际合作联合实验室和上海高校高峰高原学科的资助。合作者包括上海同步辐射光源/中国科学院上海应用物理研究所王建强研究员，华东理工大学段学志教授、汤焱强同学、付文钊同学及挪威科技大学De Chen教授。