在多相催化反应中，活性金属表面的电子结构对反应物分子的吸附与活化转化起着关键作用。近年来的研究表明，通过对金属晶格施加拉伸或压缩应变，可有效调控其表面电子结构，显著改变反应物及关键中间体的吸附行为，进而实现对催化活性与选择性的精准调控。目前，应变工程已成为设计高性能催化剂的重要策略。然而，不同金属体系和不同吸附物对应变呈现出复杂且差异化的响应规律，至今仍缺乏可定量描述应变诱导能量变化的普适性标度关系，制约了高效催化剂的理性设计与精准构筑。
针对这一关键科学问题，实验室席永杰研究员团队基于电负性对吸附物进行系统分类，并结合共价键合与离子键合的本质差异，构建了双描述符线性标度关系，实现了在不同金属表面上对应变调控下吸附物吸附能和基元反应能垒的定量预测。
图1.双描述符标度关系示意图
研究团队基于密度泛函理论（DFT）计算，对多种过渡金属表面在不同应变条件下的吸附行为进行了系统研究。通过分析大量计算数据，发现不同吸附物在应变作用下的能量变化特征与其电负性密切相关。基于这一规律，团队提出以CH吸附能变化代表弱电负性物种、以O吸附能变化代表强电负性物种的双描述符模型，建立了（图1）描述应变效应的线性标度关系。结果表明，该模型能够准确预测多种吸附物在不同金属表面和不同应变条件下的能量变化，其预测误差显著低于传统单描述符方法。进一步研究发现，这一模型不仅适用于吸附能的预测，还能有效描述反应过程中关键步骤的能垒变化。研究人员对多种重要反应步骤进行了分析，包括C-C偶联等基元反应等。结果表明，通过双描述符标度关系可较为准确地预测反应能垒在应变条件下的变化，从而实现对整个反应路径能量变化的定量描述。这为系统理解应变调控催化反应机理提供了新的思路。
团队进一步引入机器学习分类方法，以ICOBI（晶体轨道键指数）和Bader电荷转移量为特征，训练支持向量分类器。五折交叉验证表明分类器达到较高准确率，在不依赖电负性概念的前提下，从电子结构层面揭示了共价键合与离子键合特性之间的区别是不同吸附物应变响应差异的物理本质。
图2.采用ICOBI和巴德电荷转移法对应变效应的不同特性进行分类
该研究建立的双描述符标度关系为多相催化中应变效应的定量描述提供了相对统一的理论框架，适用范围涵盖多种金属表面、合金体系及不同应变幅度，并在训练集之外的吸附物上同样展现出良好的预测能力。该成果不仅深化了对应变效应微观机制的理解，更为面向CO2转化、氮还原及析氢反应等重要催化反应的高性能催化剂理性设计提供了切实可用的定量工具。
相关成果以"General Trend of Strain Effect on the Adsorption and Reactions over Metal Surfaces"为题，发表在Cell Reports Physical Science上。王婷婷博士为论文第一作者，席永杰研究员、黄志威研究员和胡斌研究员为共同通讯作者。
上述研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的支持。
