1.中国科学技术大学近四周内已发表4篇CNS论文，其中包括最新一期的Nature论文。
2.该研究报道了单原子催化中的金属-载体前沿轨道相互作用，为合理选择具有可预测活性的金属-载体对提供了一般性描述符。
3.通过将载体颗粒尺寸减小到几纳米来提高LUMO位置，可显著提升乙炔半氢化反应中的活性并保持良好的稳定性。
4.该研究实现了FMO理论在多相催化中的实验佐证与突破性应用，有望为AI高通量筛选单原子催化剂奠定理论基础。
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有着中国版“诺贝尔奖”之称的2024年未来科学大奖的物质科学奖授予了中国科学院大连化学物理研究所张涛和清华大学李亚栋，以表彰他们对“单原子催化”的发展和应用所作出的开创性贡献“。单原子催化（Single-Atom Catalysis）”的最初概念是于2011年，由张涛院士与清华大学李隽、亚利桑那州立大学刘景月合作发表在化学顶级期刊《Nature Chemistry》上的文章中提出（题为：“Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt-1/FeOx”）。目前该领域已成为了催化领域的一个研究前沿和热点，这也是少有的由中国科学家提出，并由中国科学家引领的前沿科学研究领域。
4月2日晚，在最新一期的顶刊Nature上，中国科学技术大学路军岭、武晓君与中国科学院大连化学物理研究所杨冰合作作为共同通讯作者发表了最新重要研究成果。该研究报道了单原子催化中的金属-载体前沿轨道相互作用。单原子催化剂（SACs）目前已展现出广阔的应用前景，其活性和稳定性由金属-吸附物和金属-载体相互作用这对因素共同决定。然而，对这种相互作用及其与催化性能本质关联的理解仍具挑战性，关于活性与金属原子电荷态的相关性研究经常得出相互矛盾的结论。
为此，本研究报道了钯（Pd₁）单原子催化剂的活性与14种半导体氧化物载体最低未占据分子轨道（LUMO）位置之间存在线性标度关系。通过将载体颗粒尺寸减小到几纳米来提高LUMO位置，可显著提升乙炔半氢化反应中的活性并保持良好的稳定性。研究发现，载体LUMO位置的升高减小了其与Pd₁原子最高占据分子轨道（HOMO）之间的能隙，促进了Pd₁-载体轨道杂化，从而提高了稳定性，并进一步修正了锚定Pd₁原子的LUMO，增强了Pd₁-吸附物相互作用，提高了活性。这些发现与前沿分子轨道理论一致，并为合理选择具有可预测活性的金属-载体对提供了一般性描述符。
总之，该研究提出了一个描述单原子催化剂活性和稳定性的全新理论模型，它创造性的将前线分子轨道（FMO）理论引入单原子催化剂的设计中，并成功开发出兼具高活性和高稳定性的单原子加氢催化剂。该研究实现了FMO理论在多相催化中的实验佐证与突破性应用，有望为AI高通量筛选单原子催化剂奠定理论基础，进而大大加快高活性和高稳定性催化剂的开发。
本文第一完成单位为中国科学技术大学，本篇Nature文章也是中科大继本周一晚的顶刊Cell文章后，本周发表的第2篇CNS了；也是中科大近4周来以第一完成单位发表的第4篇顶刊文章，前面两篇顶刊均发表在Nature上（分别为3月12日孙成以第一通讯发表和3月19日潘建伟以第一通讯发表）。
本文第一通讯作者为中科大路军岭，他1979年生于河南安阳，2002年本科毕业于河南大学，2007年博士毕业于中国科学院物理研究所（2004-2006年还作为交换访问生在德国弗里茨-哈伯马普所进行研究）。博士毕业后他先后在美国西北大学和阿贡国家实验室进行博士后研究，2013年，他回国加入了中国科学技术大学至今，目前为该校化学物理系教授。路军岭主要从事表面物理、表面物理化学的基础研究和负载型纳米催化剂的设计、表征和催化性能测试等研究工作。他曾获中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖、国家“杰青”和中国催化青年奖等荣誉。值得一提的是，中科院大连化物所的张涛院士为本文的倒数第3作者（非通讯作者）。