九章算J. Am. Chem. Soc.解读【催化】：生成式算法发现银基合金催化基元，实现甲烷高选择性制甲醇

【文章信息】第一作者张成翼宋强通讯作者王子运副教授Patrick J. Cullen教授【背景介绍】甲烷储量丰富是天然气的主要成分也是重要的潜在碳资源。若能在温和条件下将甲烷直接转化为便于运输和利用的甲醇将为分布式天然气资源高值利用和化学品制造提供重要路径。然而甲烷具有极为稳定的碳氢键更棘手的是一旦甲烷被活化生成的高反应性中间体又极易继续氧化。因此如何同时实现甲烷活化和反应路径控制一直是催化领域的重大挑战。非热等离子体能够在非平衡条件下直接活化甲烷并生成甲基自由基从而绕过传统催化表面上困难的碳氢键断裂步骤。但是当甲烷活化不再是主要瓶颈后新的问题随之出现寿命极短的甲基自由基能否被催化界面及时捕获如何促使其与含氧中间体选择性形成碳氧键而不是发生自由基复合或深度氧化这对催化剂的活性、选择性和稳定性提出了彼此耦合、甚至相互冲突的要求。近日奥克兰大学王子运团队与悉尼大学Patrick J. Cullen团队合作构建了一种等离子体—电化学耦合的甲烷转化体系并发展了融合图神经网络、高斯过程回归和遗传算法的生成式催化剂发现框架。图1.等离子体—电化学甲烷转化体系及多目标催化剂设计框架。【图文解析】该框架面向催化活性、选择性和稳定性的协同优化对约1029种潜在合金构型进行生成式探索。算法获得的理论最优结构为复杂四元合金Ag22Au5Pd4Pt但研究团队并未直接将其作为实验目标而是进一步分析不同元素和局域配位环境在演化过程中的富集规律。图2.从复杂多组元合金搜索中提取富银基体—孤立铂/钯位点催化基元。结果显示高性能候选材料中反复出现由富银基体和孤立铂/钯位点组成的局域催化基元。其中银基体能够减弱含氧中间体的过度吸附并抑制深度氧化而铂/钯位点则提供捕获自由基和促进碳氧键形成所需的局域活性。基于这一设计原则研究人员选择结构更简单、实验上更容易制备的Ag3Pd和Ag3Pt进行验证。电子顺磁共振实验表明等离子体生成的CH3自由基能够穿过气体扩散层并到达催化界面。图3. Ag3Pd和Ag3Pt在等离子体—电化学体系中的甲烷制甲醇性能。其中Ag3Pd表现出最佳综合性能甲醇法拉第效率最高达到80.1%甲醇分电流密度约为1.73 mA cm⁻2生成速率达到64.5 μmol cm⁻2h⁻1。在连续运行75小时后甲醇法拉第效率仍保持在约79%电流密度衰减低于5%。【总结展望】该研究不仅实现了甲烷向甲醇的高选择性转化也展示了一种新的材料发现思路生成式算法的价值不仅在于寻找理论排名最高的复杂材料更在于从高维搜索轨迹中识别可解释、可迁移并能够实验实现的局域催化基元。【公司介绍】九章算科技有限公司位于四川成都是一家集硕博智慧的科研服务公司。专注于为高校、科研院所、医院、企业等用户提供分子动力学、第一性原理、有限元仿真、量子化学、相图分析、科研绘图、LCA计算以及机器学习等多领域的模拟计算、超算租用、实验测试、论文服务等科研服务。专业模拟计算平台:我们的团队由一群经验丰富、专业高效的硕博工程师组成具备丰富的模拟计算理论知识和实践经验能够为您量身定制最合适的模拟计算方案和定制教学方案。部分团队研究成果已发表在Nature、Joule、AM、ACS、 CEJ等国际顶级期刊与中科大、西安交大、上海交大、厦门大学、北京大学、清华大学、湖南大学、苏州大学、香港理工大学等多所高校建立深度合作致力于推动学术研究和知识发展的前沿。用心服务科研人:我们拥有国家超算中心和实验测试资源高端仪器设备共享互联助力科研生态高效发展。模拟计算优选九章算早计算早见刊有相关需求欢迎关注九章算科研服务。