近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團(tuán)隊發(fā)表了題為Toward computational design of chemical reactions with reaction phase diagram的綜述文章，闡述了基于“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”的理論催化研究策略和基于“反應(yīng)相圖”的催化設(shè)計新方法。

　　對于具有“高維”復(fù)雜性的多相催化反應(yīng)，可以通過建立一系列的線性關(guān)聯(lián)，如吸附能之間的scaling關(guān)系，能壘和反應(yīng)能之間的BEP關(guān)系等對其進(jìn)行“降維”，并通過進(jìn)一步的速率計算得到一系列催化劑表面催化活性的變化趨勢，從而實現(xiàn)催化劑設(shè)計。傳統(tǒng)理論催化設(shè)計方案主要為：吸附能之間線性關(guān)聯(lián)的建立→能壘與反應(yīng)能線性關(guān)聯(lián)的建立→速率計算→催化劑設(shè)計。然而，由于反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)催化活性趨勢往往建立在假定催化路徑的基礎(chǔ)上。同時，過多的基元過程也會導(dǎo)致速率求解的困難。因此，在“理論先行”的催化劑設(shè)計中，這些因素都會提高設(shè)計成功的風(fēng)險，影響其準(zhǔn)確性。

　　在“反應(yīng)相圖”的理論催化研究的新范式中，該團(tuán)隊建立了特定催化反應(yīng)的“全反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”，通過“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”的研究策略，可以得到不同反應(yīng)相中可能出現(xiàn)的不同最優(yōu)反應(yīng)路徑，由此建立第一級的熱力學(xué)反應(yīng)相圖；進(jìn)一步改進(jìn)能壘和速率計算，得到更為準(zhǔn)確的催化活性趨勢，從而實現(xiàn)催化劑設(shè)計。“反應(yīng)相圖”的理論催化研究新范式主要為：反映網(wǎng)絡(luò)的全局建立（線性關(guān)聯(lián)的建立）→基于“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”的“反應(yīng)相圖”的建立→動力學(xué)“反應(yīng)相圖”的建立→催化劑設(shè)計。

　　該團(tuán)隊基于“反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索”和“反應(yīng)相圖”的研究策略，發(fā)現(xiàn)了二氧化碳電催化還原制甲酸的雙頂點活性趨勢（Nature Communications，2020；Advanced Materials，2021），深入討論了氧還原過程中的電壓對活性趨勢的影響（The Journal of Physical Chemistry C，2020），以及合成氣轉(zhuǎn)化中的選擇性問題（Chem，2020），并以“理論先行”成功設(shè)計了銅基電極材料進(jìn)行一氧化氮電還原合成氨的催化過程（Angewandte Chemie International Edition，2020）。

　　該綜述發(fā)表在WIREs Computational Molecular Science上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測量”和遼寧省“興遼英才計劃”等的資助。

大連化物所發(fā)表基于“反應(yīng)相圖”的催化反應(yīng)設(shè)計綜述文章