图 （a）基于半导体型载体尺寸调变的金属-载体轨道耦合调控。Pd单原子催化剂在乙炔选择性加氢中的催化活性与n-型（b）和p-型（c）半导体载体LUMO位置的关系
在国家自然科学基金项目（批准号：22025205、22225301、22221003、22073087、 22302200、22073087、22321001）等资助下，中国科学技术大学路军岭教授、武晓君教授及中国科学院大连化学物理研究所杨冰副研究员（以下简称“团队”），在单原子催化研究方面取得进展，研究成果以“单原子催化中的金属-载体前线轨道相互作用（Metal-support frontier orbital interactions in single-atom catalysis）”为题，于2025年4月2日发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-025-08747-z。
单原子催化剂（SACs）是指所有的活性金属原子以单个原子/离子形式分散于载体表面的催化剂。相较于金属纳米催化剂，单原子催化剂中的金属原子表面能高，在催化反应中容易团聚失活，且稳定性与其催化活性通常呈现“跷跷板”关系、难以兼顾，成为阻碍其实际工业应用的关键难题。究其本质，在于缺乏一个能够同时调控单原子催化剂活性和稳定性的统一理论模型。
针对这一难题，团队利用原子层沉积（ALD）方法在不同种类和不同尺寸的半导体氧化物载体表面，精准构筑了34种钯单原子催化剂。上述团队首次将前线分子轨道理论引入单原子催化剂设计中，通过改变载体的种类和尺寸并结合紫外可见吸收谱和Mott-Schottky 测试，实现了对载体最低未占分子轨道（LUMO）能级位置的精细调控与精准测量（图a）。研究发现，单原子Pd的催化性能与载体LUMO能级位置呈线性关系（图b, c）。随着载体LUMO能级位置的升高，单原子Pd催化的乙炔选择性加氢制乙烯反应活性可提升20倍以上，并展现出更优异的稳定性。
该研究揭示了金属-载体及金属-底物分子间的前线轨道耦合内在机制，并成功研制出兼具高活性和高稳定性的单原子加氢催化剂。团队提出的用于调控单原子催化剂性能的“理论可预测、实验可度量”的全新描述符，将有助于促进高通量单原子催化剂筛选，使单原子催化剂在能源化工、环境治理等重要领域有潜在工业应用前景。