物理工程学院理论物理研究所硕士生史金磊和博士生赵兴举在导师李顺方教授的指导下，在单原子催化剂工作原理和设计方面取得新进展，成果被选为封面文章发表在国际知名期刊Nanoscale上（影响因子=7.76），见J. L. Shi, J. Wu, X. Zhao, X. Xue, Y. Gao, Z. Guo, S. F Li*, Nanoscale 8，19256 (2016),链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/nr/c6nr04292a#!divAbstract。
沉积在各种衬底之上的过渡族金属纳米结构（比如纳米颗粒等）已经成为工业生产中运用最广泛的催化剂之一。研究表明，催化剂颗粒的尺寸是决定其催化性能的重要因素，由于低配位的表面金属原子通常是催化活性位，因此纳米颗粒平均单个原子的比活性常随着其尺寸的增加而降低；然而，由于纳米颗粒的尺寸降低时其表面能显著升高，沉积在衬底表面上的小尺寸金属颗粒在化学反应中经常趋向于聚合长大，从而失去活性；另外，这些过渡族金属颗粒催化剂的尺寸往往是非均匀的，结构复杂，这种多相性不仅降低了金属原子的催化效率而且会带来不必要的副反应，化学反应的选择性差。为解决上述问题，人们已经开始致力于制备高效稳定的单原子催化剂：把过渡族或贵金属以单个原子形式高度均匀地沉积分散在合适的衬底之上，从而显著提高各种贵重金属元素（比如Pd和Pt）的催化效率、反应的选择性和最大程度地降低其经济成本。然而，并不是所有的贵金属单原子都能表现出高效稳定的催化活性, 单原子催化机理还急需深入研究：最近，实验上观察到沉积在TiO2(110)表面上的Pd单原子对O2分子的激发和CO的氧化反应几乎没有催化活性，然而Pd2双原子却表现出很好的催化性能 (见：W. E. Kaden, et al., Science 326, 826 (2009))，但其中的物理机制并不清楚。
在上述实验现象的驱动下，李顺方教授与其合作者在该领域展开深入的第一性原理计算研究，他们从催化剂和O2分子电子-电子相互作用时电子自旋守恒和电子电荷转移两个自由度上成功解释了Pd/TiO2(110)体系中Pd单原子催化剂对氧分子的吸附和激发能力微弱的物理原因，这一成果发表在国际知名物理化学杂志上（S.F. Li et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 24872 （2016）；该文被Phys. Chem. Chem. Phys编辑选为封面文章，见图（A））。
基于上述前期工作，李顺方教授指导硕士生史金磊和博士生赵兴举在单原子催化领域更进一步，采用n-p共掺杂的方法改善TiO2(110)衬底的物理化学性质，从而达到调控催化剂Pd金属原子和衬底之间的电子-电子相互作用（Electronic Metal-Support Interactions，EMSI)，进而改善Pd单原子的催化活性。该方法有效改善了Pd单原子的电子结构，特别是其HOMO相对于费米能级的位置，从而显著降低了Pd原子的最高占据轨道和O2的最低未占据轨道之间的能隙、增强了Pd和O2之间的电荷转移、进而有效地削弱O2中的O-O键并降低了CO氧化的反应势垒。理论计算表明，原本几乎没有化学活性的Pd/TiO2(110)单原子催化剂体系的催化效率可以通过上述方法被显著提高到可以和实验上观察到的Pd2/TiO2(110)二聚体高效催化剂体系的催化效率相媲美。该研究结果的意义在于可以通过掺杂和调控EMSI从而优化贵金属原子催化效率，达到“一个顶俩，一个顶多”的效果！ 这一理论成果将为实验上优化其他贵金属单原子催化剂或纳米颗粒催化活性提供了重要的理论借鉴。
在该领域，本工作是李顺方教授指导研究生继2016年6月在Nanoscale上发表论文（见http://www5.zzu.edu.cn/wuli/xyxw/4028e4c055626118015599f69c3d1b96.html）之后再次在Nanoscale上发表文章，也是近年来第三篇论文被编辑推荐为封面文章(L.Y. Zhang, et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 30270, (2015); S. F. Li, et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 24872 (2016) )。这些工作得到了国家自然科学基金、河南省科技创新人才（河南省杰青）项目、郑州大学优秀青年基金的支持。
（A） （B）
(A) Pdn/TiO2(110) 催化剂工作原理示意图（PCCP封面图）； (B) n-p共掺杂方法调控Pd/TiO2(110)单原子催化剂活性示意图 （Nanoscale封面图）。
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