Towards rational design of catalysts supported on a topological insulator substrate
拓扑绝缘体具有奇异的、稳定的金属表面态，有望为新型表面化学和催化提供一个有前途的平台。然而，TI如何影响催化剂的活性仍然是一个前所未有的领域。在这项工作中，我们研究了拓扑表面状态（TSS）的过渡金属簇（Au，Ag，Cu，Pt和Pd），这是支持在TI Bi2Se3衬底上的活性的影响。结果表明，氧在负载型催化剂上的吸附能总是可以提高由于TSS。然而，这并不一定意味着催化氧化反应活性的提高。相反，在TSS存在下的增强的吸附行为表现出双重效应，由这些催化剂与氧的固有反应性决定。对于Au的情况，可以提高催化氧化的活性，因为Au和O之间的内在结合相对较弱。相反，由于Pt和Pd与氧的固有结合太强，对于Pt和Pd簇，发现了负面影响。研究还发现，TSS对析氢反应活性的影响是非常相似的，即原来反应活性较弱的金属可以从TSS中获得积极的影响。本工作为更合理地设计和选择以TI为底物的催化剂奠定了基础。
2015-09-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.comp-ph
Shake-Rattle-and-Roll: A Model of Dynamic Structural Disorder in Supported Nanoscale Catalysts
我们研究了“动态结构无序”（DSD）对负载型纳米尺度催化剂行为的影响。DSD指的是这种纳米尺度系统的内在波动、不均匀结构。与块体材料相比，纳米尺度系统表现出能量、电荷和其他大量的波动以及大的表面效应。DSD由纳米颗粒表面的质心随机振动运动和由于与基底的热耦合而产生的流键驱动。我们计算DSD的方法是基于统计力学，瞬态耦合振荡器模型，和实时DFT/MD模拟的组合。这种方法处理热和动态效应在多个时间尺度上，包括债券拉伸和弯曲振动，DSD，和瞬态拴系基板在较长的ps时间尺度。提出了反应物分子吸附在动态取样团簇表面的分子-团簇相互作用和分子解离反应路径的模型计算。该模型表明，DSD影响反应速率的前因子和能垒分布，从而可以强烈影响纳米尺度的催化活性。
2013-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Quantum Monte Carlo with ground-state input to investigate methane reactions on supported metal film catalysts
如今，人们迫切需要可持续能源，或清洁和“绿色”燃料，氢是一个完美的候选人。它可以通过解离甲烷来制备，能量输入由金属-氢键形成来补偿。工业上使用负载在$γ$ -氧化铝上的镍用于该限速步骤。这项工作显示了如何使用量子蒙特卡罗计算采取（用户引导）信息总结化学的非均相催化从一个通用的杰斯特罗因素，使电子相关性被包括在密度。这反过来又给出了准确的性能值，特别是在吸附CH 3-和H-在紧密堆积的（111）平面中的相邻镍原子上之前，拉伸一个甲烷C-H键的活化势垒。的CH 3-协调的中空网站定义的三个Ni原子，新的这项工作，另一个Ni原子协调的H-原子的解离。
2022-06-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.chem-ph
Identifying Active Sites of the Water-Gas Shift Reaction over Titania Supported Platinum Catalysts under Uncertainty
一个全面的不确定性量化框架已经开发集成计算和实验动力学数据，并确定催化活性位点和反应机理。测试了关于Pt/TiO 2催化剂上水煤气变换反应的活性位的三种假设- Pt（111）、边缘界面位和角界面位。使用贝叶斯推断和预测验证，告知和验证与DFT计算和模型误差的活性位点的微动力学模型的unexplored。重要的证据被发现的氧化物支持的机制中的作用。积极的证据被发现在支持的边缘接口活动网站的角落接口网站。对于边缘界面位置，CO促进的氧化还原机制被发现是主导途径，并且只有在573 K以上的温度下，经典的氧化还原机制才对总速率有显着贡献。在所有反应条件下，水和表面O-H键在Pt/TiO 2界面的解离步骤是主要的速率控制步骤。
2017-10-10 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.data-an
Coking-Resistant Sub-Nano Dehydrogenation Catalysts: Pt$_n$Sn$_x$/SiO$_2$ (n = 4, 7)
以乙烯中间体为模型反应物，对Pt $_n$ /$_2$和Pt $_n$ Sn $_x$ /$_2$（n = 4，7）模型催化剂进行了吸热脱氢的实验和理论研究.支持纯Ptn集群被发现是高度活跃的C2 D4的脱氢，迅速失活，由于碳沉积和烧结的组合，导致可访问的Pt站点的损失。此外，Sn的Ptn簇的结果在C2 D4脱氢和碳沉积的完全抑制，也稳定了集群对热烧结。理论表明，这两个系统都有大量的集群结构和吸附质的配置，形成一个统计合奏热访问。虽然Pt 4/SiO2簇以二σ和π键合构型结合乙烯，但Pt $_4$ Sn $_3$ /SiO $_2$仅以π模式结合C2 H4，其中二σ键合被PtSn簇的电子和几何特征的组合抑制。采用爬像轻推弹性带（CI-NEB）方法计算了可及簇合物异构体的脱氢反应曲线。
2020-03-11 physics.chem-ph
Environmental high resolution electron microscopy and applications to chemical science
本文介绍了一种环境池高分辨电子显微镜（EHREM），用于在原子尺度上原位研究动态化学反应。它允许进入催化剂的亚稳中间相和与催化剂的活化、失活和中毒相关的可逆微观结构和化学发展序列。通过空气运输的材料可以被恢复或重建，并且可以保存被常规电子显微镜中的通常真空环境损坏的样品，例如，被脱水损坏的样品。Philips C M30 HRTEM和STEM系统已在我们的实验室中进行了广泛的修改，以增加在0至50 mbar压力的气体或蒸汽的受控气氛中进行原位气-固反应研究的设施，而不是常规的TEM高真空环境。集成的新环境单元功能与原始的0.23 nm TEM分辨率、STEM成像（亮场和环形暗场）以及化学和晶体学显微分析相结合。使用常规的样品架，包括高于1000 ℃的热台。应用实例包括直接研究负载金属颗粒催化剂的动态反应、实际复合氧化物催化剂体系在操作条件下的缺陷和结构变化以及碳微结构。
2017-05-16 physics.chem-ph
Generation of highly reactive oxygen species by co-adsorption of oxygen and water on metal-supported MgO(100) thinfilms
高活性氧（ROS）在金属氧化物表面的形成由于其广泛的应用而引起了人们极大的兴趣。本文采用密度泛函理论研究了氧和水在Mo（100）衬底上的超薄MgO（100）薄膜上的共吸附。我们发现，分子氧可以在水的帮助下逐步完全分解。结果表明，在Mo（100）负载MgO（100）薄膜上形成了一系列高活性氧，包括超氧阴离子、过氧化氢、羟基和单氧吸附原子。报道了活性氧产生时的反应势垒，并讨论了MgO（100）膜厚度对反应势垒的影响。最有前途的路线，以产生这些迷人的物种提供有价值的信息，以了解协同效应的重要性，即基板，共吸附的物种，和膜厚度，在多相催化剂设计。
2015-09-09 physics.chem-ph
Graphene-Supported Silver-Iron Carbon Nitride Derived from Thermal Decomposition of Silver Hexacyanoferrate as Effective Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media
通过热解（在惰性气氛下）六氰高铁酸银（II）获得银-铁碳氮化物，沉淀在石墨烯纳米片上，并与银纳米颗粒和铁碳氮化物（分别制备）相比，在碱性介质中作为氧还原反应的电催化剂进行检查。以类似的方式在石墨烯纳米片上）。在0.1 M氢氧化钾电解液中，使用循环伏安法和旋转环盘电极伏安法等电化学诊断技术对催化材料进行了研究。在应用石墨烯纳米片负载的混合银-铁碳氮化物催化剂时，氧的还原在更正的电势下进行，并且相对于单独检查的银纳米颗粒和铁碳氮化物（负载在石墨烯纳米片上），过氧化氢的量（在比0.3V更正的电势下氧还原期间产生的）更低。银对H_2O_2在碱性介质中的还原/分解有很高的活性，这是银对H_2O_2还原/分解的促进作用。此外，已经观察到，由于金属络合物对CN壳的强固定，基于碳氮化物的系统显示出相当大的稳定性。
2018-05-09 physics.chem-ph
Quantum Monte Carlo method modeling supported metal catalysis: Ni(111) converting adsorbed formyl 'en route' to hydrogen
本文利用量子蒙特卡罗方法和嵌入式活性位点模型，研究Ni(111)表面吸附甲酰基的C-H键解离及氢气生成机理，弥补Hartree-Fock和DFT方法在断键描述上的不足。
2023-09-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ni-O-Ag catalyst enables 103-m$^2$ artificial photosynthesis with >16% solar-to-chemical energy conversion efficiency
本研究合成负载Ag单原子的NiO纳米片催化剂，凭借Ag-O-Ni位点耦合实现高效低温逆水煤气变换，进一步集成光伏电解水系统建成103㎡人工光合系统，能量转换效率超16%，为高效无铂CO₂加氢催化剂及实用日光驱动人工光合系统设计提供新路径。
2023-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Transition Metal-Tetracyanoquinodimethane Monolayers as Single-Atom Catalysts for Electrocatalytic Nitrogen Reduction Reaction
将地球上丰富的二氮转化为具有附加值的化学氨是一个重要而具有挑战性的课题。电催化氮还原反应（NRR）与传统的哈伯-博世工艺相比，是一种节能、环保的方法。电催化NRR的主要任务是寻找能有效活化二氮并具有高选择性和稳定性的电催化剂。单原子催化剂可以作为一个很好的解决方案。在这项工作中，通过第一性原理密度泛函理论，分子动力学计算，和一个两步筛选过程中，我们证实，单一的Sc和Ti原子负载在四氰基醌二甲烷单分子膜（Sc，Ti-TCNQ）是很好的候选人的NRR电催化剂。由于TM-TCNQ的电子结构和受体-供体机制，N2的吸附和活化是有效的。Gibbs自由能图表明，Sc-TCNQ和Ti-TCNQ通过酶-连续混合途径表现出较低的NRR过电位，分别为0.33和0.22 V。此外，Sc/Ti-TCNQ单分子膜对HER的选择性和稳定性也得到了验证。这项工作开辟了一个新的途径，为NRR以及其他催化应用设计新颖的单原子催化剂。
2020-04-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Elucidating the active phases of CoOx films on Au(111) in the CO Oxidation Reaction
本研究利用Au(111)负载CoOx模型催化剂，结合ResPES与DFT，揭示CO/O2比例诱导的三种重构反应区间及Co3+活性位点的关键作用。
2023-04-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Mechanistic Insights into Complete Methane Oxidation on Single-Atom Pd Supported by SSZ-13 Zeolite: A First-Principles Study
本文通过第一性原理计算研究SSZ-13沸石负载单原子Pd上甲烷完全氧化机理，揭示O₂辅助路径比直接脱氢更有利，并提出低能多位点路径，为设计高活性耐湿Pd-沸石催化剂提供原则。
2025-09-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
CO Induced Adatom Sintering in a Model Catalyst: Pd/Fe3O4
气体的存在通常会通过形成移动中间体来加速催化活性金属簇的粗化，尽管这种情况发生的确切机制经常受到争议。我们用扫描隧道显微镜（STM）跟踪CO诱导的Pd吸附原子在Fe_3 O_4（001）表面的聚结。我们发现，高流动性的Pd-羰基物种，通过所谓的天钩效应形成的，暂时被困在其他Pd吸附原子。一旦这些达到临界密度，集群成核;随后粗化发生通过集群扩散和合并。当CO增加Pd/Fe_3O_4体系的迁移率时，表面羟基具有相反的作用。转移到表面OH基团的Pd原子不再容易受到天钩效应的影响，并保持孤立。从分散良好的金属吸附原子到集群，原子的原子，允许识别的关键过程，气体诱导的质量传输的基础。
2013-03-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.chem-ph
Breaking scaling relations with inverse catalysts: a machine learning exploration of trends in $\mathrm{CO_2}$ hydrogenation energy barriers
Center for Interstellar Catalysis, Department of Physics and Astronomy, Aarhus University, Aarhus C, Denmark（星际催化中心，物理与天文学系，奥胡斯大学，奥胡斯C，丹麦）；Aarhus Institute of Advanced Studies, Aarhus University, Aarhus C, Denmark（奥胡斯高级研究学院，奥胡斯大学，奥胡斯C，丹麦）
本研究提出基于机器学习原子间势的工作流，探索逆催化剂上CO2加氢过渡态，发现纳米团簇边缘与内部的不同活性趋势，并实现打破线性比例关系，解释逆催化剂的优异性能。
2025-04-23 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.chem-ph
Magnetic field-enhanced two-electron oxygen reduction reaction using CeMnCo nanoparticles supported on different carbonaceous matrices
本研究合成Ce₁.₀Mn₀.₉Co₀.₁纳米颗粒并负载于两种炭黑制备双电子ORR电催化剂，发现2000 Oe恒定磁场可显著提升电流和H₂O₂生成选择性（超90%），为高效高选择性双电子ORR催化剂开发提供新方向。
2025-05-19 physics.chem-ph
Influence of CeO$_2$MnO$_x$ heterostructure on Hydrogen Peroxide Electrogeneration on Carbon-Based Catalysts
Fluminense Federal University（弗鲁米嫩塞联邦大学）
研究通过合成CeO2和CeO2MnOx纳米颗粒负载于碳载体，评估低金属负载下高效电合成H2O2的性能，发现1% CeO2MnOx/C和3% CeO2/C催化剂实现高达90%的2e- ORR选择性。
2026-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.class-ph
Quantum Monte Carlo method for metal-film catalysis: water addition to carbon monoxide adsorbed on Pt/Al(111), a route to hydrogen
氢生产作为化石燃料的清洁，可持续替代品正在加快步伐。巴黎戴高乐机场的容量翻倍计划已经停止，即使是在即将到来的奥运会期间，也要等到氢动力飞机投入使用。因此，研究催化选择性制氢和优化催化剂结构是及时的。90%以上的化学品生产使用固体催化剂.研究了一氧化碳（CO）在廉价Al（111）支撑的铂薄膜上的吸附。一氧化碳与水反应产生氢气（水煤气变换）。量子蒙特卡罗方法是唯一一种足够精确的方法来研究在紧密堆积的Pt/Al（111）上催化反应的早期步骤。许多化学反应都涉及键的离解。这个过程通常是固体表面限速反应步骤的关键。由于Hartree-Fock和DFT方法对键断裂的描述很差，因此使用了我们的嵌入活性位点方法。这项工作展示了一种新的量子蒙特卡罗（QMC）方法。所研究的水煤气变换反应步骤是将水加到预先吸附在Al（111）支撑的Pt单分子膜上的CO上。水分子只是部分离解。它的氧原子与CO结合，产生吸附的COOH和Pt-H。这种协同增加是限速的。在随后的步骤中，吸附的甲酸盐物质（具有酸性氢）分解成二氧化碳，并且在质子迁移到Pt-H之后，获得清洁的产物H $_2$。发现QMC活化势垒为64.8 $\pm$ 1.5 kJ/mol。因此，QMC是令人鼓舞的调查类似的催化体系。
2022-05-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Multi-Technique Characterization of Rhodium Gem-Dicarbonyls on TiO$_2$(110)
本研究采用多技术表面科学方法结合DFT，探究了单晶TiO$_2$(110)表面上的铑双羰基化合物，揭示了其在氧化物表面的复杂行为及多技术表征单原子催化剂的必要性。
2025-06-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Self-Driven Atomic Dispersion in Graphitic Layers
ShanghaiTech University（上海科技大学）；Nanjing Forestry University（南京林业大学）
研究金属纳米颗粒在碳中转化为孤立原子的过程，以Pt催化烃氧化为模型，结合多种技术追踪结构和化学演变，揭示自驱动分散机制及相关行为，为单原子催化剂合成提供通用途径。
2026-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Monte Carlo Simulations of the Critical Properties of a Ziff-Gulari-Barshad model of Catalytic CO Oxidation with Long-range Reactivity
Ziff-Gulari-Barshad（ZGB）模型是一氧化碳（CO）在催化剂表面氧化反应的简化模型，广泛用于研究非平衡相变的性质。特别是，它表现出一个非平衡，不连续的反应和CO中毒相之间的过渡。如果允许CO解吸速率（$k$）为非零，则相变线终止于临界点（$k_{c}$）。在这项工作中，而不是限制CO和原子氧（O）反应，形成二氧化碳（CO $_{2}$），只有当它们被吸附在紧密接近，我们考虑一个修改后的模型，其中包括一个可调的概率吸附CO和O原子远离晶格上的反应。我们采用大规模的蒙特卡罗模拟系统的大小高达240 $\times$ 240晶格的网站，使用交叉的四阶累积量来研究该系统的临界性能。我们发现，非平衡临界点的变化，从二维伊辛普适类的平均场普适类后，即使是一个弱的长程反应机制。这一结论得到了累积量不动点值、簇渗流概率、相关长度有限尺寸标度性质和临界指数比$β/ ν$的测量结果的支持。所观察到的行为与\emph{equilibrium} Ising铁磁体的行为是一致的，并具有额外的弱长程相互作用[T. Nakada，P. A. Rikvold，T. Mori，M. Nishino和S. Miyashita，Phys.Rev.B84，054433（2011）]。大的系统尺寸和四阶累积量的使用也使得能够确定具有CO解吸的原始ZGB模型的临界点的精度提高。
2015-02-02 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Effect of cathode porosity on the Lithium air cell oxygen reduction reaction
本文通过CV和RRDE技术研究多孔碳阴极孔隙率对锂空气电池氧还原反应动力学的影响，发现孔隙率主要改变中间体扩散和脱附的物理过程，而非电化学反应速率常数。
2024-03-31 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
