吸附位点有哪几种？从类型、计算方法到催化与气体分离中的关键作用​

说明：本文华算科技从理论计算的角度，系统介绍吸附位点（Adsorption Sites）的基本概念、分类及其在材料科学中的研究进展。内容涵盖吸附位点的定义、主要类型、计算方法（如密度泛函理论、分子动力学和机器学习）以及在催化、气体分离和传感器设计中的重要性。

读者可通过本文了解吸附位点的独特机制、模拟技术的关键作用，以及其在先进材料系统设计中的潜力，为计算化学、材料科学和表面科学的创新研究提供理论支持和实践指导。

什么是吸附位点？

DOI: 10.1007/s40820-023-01185-4

吸附位点是指材料表面上能够与气体、液体分子或其他物种发生物理或化学吸附的特定区域，这些位点直接影响吸附能、反应活性和选择性。

在金属、氧化物或二维材料（如石墨烯、MoS₂）中，吸附位点通常由表面原子、缺陷或掺杂位组成，通过范德瓦尔斯力或化学键与吸附质相互作用。吸附位点的核心作用源于表面化学理论，其中位点的几何和电子结构决定吸附强度和反应路径。

传统实验方法如STM（扫描隧道显微镜）可表征位点分布，但理论计算方法在揭示吸附机制和电子转移方面具有独特优势。

这些计算工具不仅能预测位点类型和稳定性，还能评估其对催化效率和材料性能的影响，推动从表面设计到应用优化的创新。

吸附位点的理论计算方法与类型

理论计算在吸附位点研究中扮演关键角色，用于预测位点结构、吸附能和反应动力学。以下介绍主要计算方法及其在吸附位点分类中的应用。

吸附位点根据几何位置和电子性质分为以下主要类型：

顶位（Top Sites）：吸附质直接位于表面单个原子上方，通常形成较弱的化学键。

桥位（Bridge Sites）：吸附质与两个相邻表面原子结合，提供中等强度相互作用。

空心位（Hollow Sites）：吸附质位于三个或更多表面原子的中心（如FCC或HCP位），通常具有较高吸附能。

缺陷位（Defect Sites）：如氧空位或掺杂位，具有高活性。

DOI: 10.1038/s41929-022-00757-8

DFT基于量子力学，计算吸附位点的电子结构、吸附能和反应势垒，是研究吸附位点最常用的方法。其核心优势是无需经验参数，直接从电子密度层面预测吸附质与表面的相互作用。

例如，作为催化位点以丰富表面*CO覆盖，稳定乙烯酮作为关键的醋酸途径中间体并抑制析氢反应，从而大大促进乙酸盐的形成。

CuPd电催化剂实现了70±5%的高法拉第效率，用于CO转化为乙酸盐的电还原和425 mA/cm²的高乙酸盐分电流密度。

在膜电极组装条件下，CuPd电催化剂在500 mA/cm²下表现出500小时CO到乙酸盐的转化，稳定的乙酸盐法拉第效率约为50%。

DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c01112

分子动力学通过经典力学模拟原子运动，研究吸附位点的动态行为和有限温度效应，适用于大尺度体系的吸附过程分析。其核心优势是捕捉吸附质在表面的扩散路径和热力学行为。例如，MD用于模拟水分子在TiO₂表面的吸附动态，揭示空位如何通过扩散增强吸附速率（扩散系数约10^-5 cm²/s）。MD依赖于力场模型，通常从DFT计算中获取参数以确保准确性。

DOI: 10.1038/s41524-017-0017-z

机器学习通过数据驱动方法，优化吸附位点的计算效率和预测精度，特别适合高通量筛选和复杂体系分析。其核心优势是从DFT或实验数据中学习特征，快速预测吸附能和位点分布。

例如，将工作流程的结果与CE27数据库中固体表面化学吸附能的先前实验和理论基准进行了比较。这些基准还说明了如何将执行和管理200多个单独的密度泛函理论计算的任务简化为单个提交过程和后续分析。

通过实现更高效的吸附能高通量计算，这些工具将加快理论指导下发现用于催化和表面科学的先进材料的速度。

结论

吸附位点作为表面化学的核心，通过不同类型（顶位、桥位、空位、缺陷位）调控吸附行为和反应活性，成为材料科学和催化领域的焦点。

密度泛函理论、分子动力学和机器学习通过电子结构建模、动态模拟和数据驱动预测，为吸附位点的机制解析和优化提供了强大支持。

这些方法显著推进了催化、气体分离和传感器设计中的研究。随着计算技术和算法的进步，如机器学习与DFT的深度整合，吸附位点的设计将进一步加速，为可持续能源和先进材料提供新机遇。