触媒：単原子触媒反応における金属–担体フロンティア軌道相互作用

金属を最大限に使用し、離散的なエネルギー準位を持つ単原子触媒（SAC）は、不均一系触媒反応、エネルギー変換、環境科学、生物医学における広範な応用に有望である。SACの活性と安定性は、金属–吸着質相互作用と金属–担体相互作用の対によって支配される。しかし、これらの相互作用をそれらの本質的な触媒性能と共に理解することは、困難である。活性と金属原子の電荷状態の相関は、これまで議論を招く結論に達することが多かった。今回我々は、パラジウム（Pd₁）SACの活性が、14タイプの半導体にわたり、酸化物担体の最低空軌道（LUMO）の位置と線形スケーリング関係を示すことを報告する。担体の粒子サイズを数ナノメートルまで小さくすることによるLUMOの位置の上昇は、アセチレンの部分水素化において、記録的に高い活性と優れた安定性という性能向上をもたらした。我々は、担体のLUMOの上昇によって、Pd₁原子の最高被占軌道（HOMO）とのエネルギーギャップが小さくなることを示す。これにより、Pd₁–担体軌道混成が促進されて安定性が向上し、さらに固定Pd₁原子のLUMOが改善されてPd₁–吸着質相互作用が増強され、活性が向上する。これらの知見は、フロンティア分子軌道理論と一致しており、予測可能な活性を持つ金属–担体ペアの合理的選択のための一般的記述子をもたらす。

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