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中国科学技术大学 - 《中国科大报》

历时8年 修改329稿 困扰催化领域50年难题终破解

2024-12-15     浏览(29)     (0)

文章研究了金属与载体间的相互作用对载体效应的影响。该团队采用基于神经网络势函数的分子动力学模拟方法,成功重现了实验上发现的包覆现象。这项工作将为能源、环境和材料领域的绿色升级和可持续发展提供新视角和方案。

(上接第3版载体都含有氧,不同的是它们包含的金属不同。因此,显而易见,是‘金属-金属相互作用’对载体效应产生了决定性影响。”李微雪感叹,捅破这层“窗户纸”,人们竟然花了近50年时间。

值得一提的是,他们还提出了“强金属-金属作用”原理性判据,即当两种金属间作用强于氧化物中金属自身相互作用时,氧化物载体将包覆金属催化剂。比如,金属催化剂是铂,载体是氧化钛。当铂-钛键强于钛-钛键,就会发生氧化钛包覆铂催化剂的现象。这一简洁的判据有效阐释了目前几乎所有在这类体系中观测到的包覆现象。

一场跨越时空的接力赛

李微雪曾在德国马普学会弗里茨·哈伯研究所进行博士后阶段研究,并在回国后与该研究所所长Matthias Scheffler成立了中德马普伙伴研究小组。

2016年,Scheffler受邀参加中国科学技术大学的一场学术年会。与李微雪见面时,Scheffler夸奖起他的博士后、之前是李微雪博士生的欧阳润海。他发展了一种可解释性AI算法SISSO,在材料领域研究中有广阔前景。

这给了李微雪启发。2017年,他安排刚进课题组读研究生的王泰然,用SISSO研究金属-载体相互作用这一问题。

王泰然从上百篇文献中收集了大量高质量的界面作用数据,并利用SISSO建立起相应的公式。但是,公式背后的物理意义和重要价值还有待深入挖掘。

2021年,这篇论文已经初步成形,但李微雪并没急于发表,一是当时得到的方程物理图像不是很清晰,二是新的金属-金属相互作用变量在催化过程中的重要性还不明确。

围绕上述问题,李微雪带领团队进行了大量探索,利用基于AI得到的方程预测、计算各种可能的物理量,并尝试将其与重要的催化问题相关联,文章也不断推倒重来,但结果还是难以令人满意。

转机出现在2023年。博士生胡建钰使用基于神经网络势函数的分子动力学模拟,成功在理论上重现了1978年实验上发现的包覆现象。

这一次,他们找到了理论应用的突破口。随着对文章的创新性、重要性、逻辑性、清晰性等进行反复修改,他们对公式物理意义的理解越来越清晰、深刻和全面。

从投稿到接收仅用85天

2024年7月30日,研究团队正式向《科学》投稿。这是论文的第320个版本。

9月7日,他们收到了审稿意见。令李微雪惊喜的是,编辑已经将论文彻底修改了一遍。“这表示论文基本上被接收了。”

根据审稿意见,研究团队完成了相应工作,于10月2日返稿。很快,10月22日,论文被正式接收。

研究用了8年,论文修改了329稿,从投稿到同意接收发表仅花了85天……慢与快的背后,是李微雪对科研的坚守、3名学生跨越时空的接力。

这一理论工作一经发表,立即得到了同领域科研人员的关注。“目前已有两个实验课题组利用这次提出的理论,合成了一系列新的包覆催化材料体系,后续新催化反应的研究工作也在快速推进中。”李微雪说。

“目前,我们仅描述了金属与氧化物界面的相互作用。接下来,我们将继续研究金属与各种金属化合物载体的相互作用。”李微雪说,他们的长期目标是建立起描述材料界面相互作用的一般性理论,加快新催化材料、新催化反应的发现,助推能源、环境和材料领域的绿色升级和可持续发展。

李微雪表示,此次科学突破还证明了可解释性AI算法的巨大潜力,为重大科学问题的解决提供了全新视角和方案。(原载于《中国科学报》 2024年12月11日头版 记者 王敏)