确定催化反应位点是催化化学和材料科学中的核心问题之一，它不仅关系到催化剂的活性和选择性，还直接影响到催化剂的设计与优化。以下华算科技将从多个角度详细探讨如何确定催化反应位点，包括理论计算、实验表征、原位技术、生物信息学方法等。
密度泛函理论（DFT）是一种广泛应用于催化反应机理研究的理论工具，尤其在识别活性位点方面具有重要作用。通过DFT计算，可以比较不同位点的反应性能，从而推断出主要的活性中心。
吸附能（或吸附自由能）是判断活性位点最直接的方法之一。它衡量反应物或中间体在催化剂不同候选位上的结合强度。有效的活性位点应当能够适度地吸附关键反应物或中间体：既不能过弱（否则无法活化反应物），也不能过强（否则中间体难以脱附，反应停滞）。这体现了Sabatier原理。
除了静态吸附能，比对完整反应路径上的能量垒更能直接体现哪个位点反应更容易进行。具体做法是：在不同候选位点上，计算反应各步的反应能垒（过渡态能）或反应自由能变化，比较决定步骤（速控步）的能垒或自由能高低。活性位点应呈现最低的反应能垒或最小的限制步骤自由能增量。
通过改变催化剂位点的电子/结构特征，吸附能会变化，从而影响活性。理想活性位对应于火山曲线顶点的吸附强度，一个案例是对FeN₄位点引入轴向配位杂原子。
实验表征技术是确定催化反应位点的重要手段，尤其是在原位条件下，可以实时观察催化剂的结构和反应过程。
原位透射电镜可以用于表征反应过程中样品的形貌以及组成变化，适用于揭示催化剂在反应条件下的稳定性、明确催化反应活性位点、确定催化反应路径和选择性。
扫描隧穿显微镜可以检测反应条件下催化剂表面的原子变化，因此适用于揭示催化剂在反应条件下的稳定性、明确催化反应活性位点。
原位红外光谱可以解析催化剂的活性位点结构，通过分析反应过程中红外光谱的变化，可以确定催化剂的活性位点及其反应路径。
循环伏安法可用于计算催化剂在氧化还原反应中的电子转移数，从而计算催化剂的活性位点数量。
铜的欠电位沉积（Underpotential Deposition, UPD）
铜的欠电位沉积方法可用于计算催化剂的活性位点数量，通过测量铜在催化剂表面的沉积行为，可以间接推断活性位点的数量和分布。
ICP技术（电感耦合等离子体发射光谱）可用于测量催化活性原子的含量，从而计算出活性位数量[。
在生物催化领域，生物信息学和蛋白质工程方法也被广泛应用于活性位点的确定。
通过定向突变法可以确定参与结合或催化反应的残基。例如，通过改变特定氨基酸残基，观察其对酶活性的影响，从而确定活性位点。
丙氨酸扫描法是一种常用的蛋白质工程方法，通过将活性位点附近的氨基酸残基逐一替换为丙氨酸，观察其对酶活性的影响，从而确定关键活性位点。
定点饱和突变法通过在特定位置引入多个突变，筛选出具有高活性的突变体，从而确定活性位点。
生物信息学软件如Mustgusal、Zebra2、pocketZebra等，可以帮助识别酶的保守和特异性位点，发现未知的结合位点，并确定它们对功能特性的重要性。
原位表征技术可以在反应条件下实时观察催化剂的结构和反应过程，为活性位点的确定提供直接证据。
EXAFS是一种原位表征技术，可以用于研究催化剂的局部结构和原子排列，从而确定活性位点的几何结构。
原位红外光谱可以解析催化剂的活性位点结构，通过分析反应过程中红外光谱的变化，可以确定催化剂的活性位点及其反应路径。
原位X射线光电子能谱可以用于研究催化剂的表面化学状态，从而确定活性位点的化学性质。
确定催化反应位点是一个复杂的过程，需要综合运用多种理论计算、实验表征和生物信息学方法。
通过DFT计算、原位表征技术、生物信息学方法等手段，可以逐步揭示催化反应的机理，从而为高效催化剂的设计和优化提供理论支持和实践指导。未来的研究将进一步发展这些方法，以提高催化反应的效率和选择性，推动催化科学的发展。
🎯500+博士团队护航，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
