说明：本文华算科技详细阐述了金属–载体相互作用的定义、作用形式、表征方法以及应用领域，系统性地讲解了什么是金属–载体相互作用。文中不仅厘清了金属–载体相互作用的各项核心机制，还依托前沿研究成果揭示了其在催化性能调控中的关键地位。
一、什么是金属-载体相互作用？
金属–载体相互作用（Metal-Support Interaction，MSI）是负载型催化剂中金属活性组分（纳米颗粒、单原子或簇）与支撑基质间物理化学作用的统称，它广泛存在于异相催化体系中，是调控催化剂性能的核心科学概念。
其本质是通过多维度机制改变金属活性位点的电子结构、几何环境与化学状态，进而实现对催化活性、选择性与稳定性的精准调控。
金属–载体相互作用并非单一的“表面吸附”或“物理支撑”，载体在此过程中不仅是金属的承载框架，更是参与催化调控的活性参与者。
DOI: 10.1038/s41929-019-0364-x
二、核心作用形式
1. 电子效应
MSI在电子效应上的作用形式主要以电荷转移与电子结构重构为核心，并通过改变金属活性位点的电子云密度与能级分布影响催化行为。
其关键机制是“d带中心理论”，载体与金属间的电荷转移会偏移金属的d带中心，进而能够定量调节反应中间体的吸附强度。当电子富集使d带中心上移时，材料对反应物的吸附活化能力被增强；当电子缺失使d带中心下移时，材料对反应物的吸附活化能力被弱化以避免活性位点中毒。
例如，电子金属–载体相互作用（EMSI），通过载体表面极化形成界面电荷梯度，改变金属功函数与电子逸出能力，在电催化析氢、氧还原等涉及多步电子转移的反应中尤为关键。
DOI: 10.1002/eem2.70159
2. 几何效应
MSI在几何效应上的作用形式主要是通过调控金属活性位点的局部配位环境与空间分布来发挥作用。同时，MSI在几何效应上的核心影响因素则主要包括金属的颗粒尺寸与载体的表面结构。
小尺寸金属颗粒因表面原子占比高、配位不饱和性强，与载体的界面作用显著增强，可形成更多低配位活性位点。而载体的晶体结构、缺陷则会引导金属颗粒的形貌生长，改变活性位点的空间密度与暴露程度。
此外，载体与金属的晶格失配还可能诱导界面应变，进一步优化活性位点的几何构型，降低反应能垒。
DOI: 10.1002/anie.202414516
3. 化学键合效应
MSI通过金属与载体间形成强化学键来实现接触界面结构的深度调控，保证MSI的稳定性。在金属/氧化物体系中，界面常形成如M-O-M’（M为活性金属，M’为载体金属）的共价键，一方面通过强键合能抑制金属颗粒迁移团聚，另一方面通过电子离域效应降低载体中原子的结合能，为反应提供额外活性位点。
在载体缺陷体系中，缺陷处的局部电荷富集会与金属原子形成配位键，从而实现金属的“锚定分散”。同时，通过键合电子的耦合可以改变金属电子结构，以此能够增强材料对特定反应物的吸附能力。
DOI: 10.1093/nsr/nwaf327
三、表征方法
扫描透射电子显微镜（STEM）
STEM凭借亚埃级空间分辨率与成分敏感性，成为直接观测金属–载体界面几何结构的核心工具，其搭配球差校正后观测到的整体结构会更加精细。STEM的核心优势在于能够对金属活性组分的空间分布、形貌特征及界面结合方式进行直观表征。
STEM的成像可清晰分辨金属纳米颗粒/单原子在载体表面的分散状态，精准测量颗粒尺寸，以此探究颗粒是否团聚等问题。
除此之外，更能揭示界面原子级结构细节，比如探究金属簇是否嵌入载体晶格、界面处的晶格匹配度、载体包覆层厚度等问题，判断材料是否具有强金属–载体相互作用（SMSI）的特征。
DOI: 10.1002/cjoc.202300586
X射线吸收精细结构（XAFS）
XAFS是少有的能在原子尺度同时表征样品电子结构与局部配位环境的技术。它无需依赖材料表面长程有序结构，对材料尺寸没有具体要求，单原子、团簇及纳米颗粒体系均能适用。
其光谱可分为X射线吸收近边结构（XANES）与扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）两部分，它们分别聚焦电子态与几何结构解析。
XANES通过吸收边位置与白线峰强度反映金属原子的氧化态与电子密度，为电子金属–载体相互作用提供核心依据。EXAFS 则通过分析散射信号的振荡特征，定量获取金属原子的配位原子种类、配位数、键长及无序度，能明确金属–载体间化学键的形成。
DOI: 10.1039/c7ee02537h
X射线光电子能谱（XPS）
XPS因为对材料表面结构具有高敏感性，所以被用于表征金属–载体界面的表面化学态与电荷转移行为。通过检测金属元素特征能级的结合能偏移，可直接判断其氧化态变化及电荷转移方向。
若金属特征峰向高结合能偏移，表明其失去电子，对应电子从金属向载体转移，反之，则为电子从载体向金属转移。这种分析可量化不同氧化态金属的相对含量，区分活性位点的化学状态
然而，需要注意的是，XPS对于材料的表征是一种平均化的测试结果，它不能反应单个金属颗粒与载体的关系。同时，XPS也缺乏体相及深层配位结构的检测能力，XPS应当与STEM、XAFS 互补使用以获得完整的MSI信息。
DOI: 10.1039/C8TA08142E
四、应用领域
在电催化析氢、CO氧化、合成气转化等反应中，MSI可借助金属与载体间的电荷转移，重塑金属活性位点的电子云密度与能级结构，进而精准调控反应中间体在活性位点的吸附强度，使中间体吸附既不会过强导致反应能垒陡增，也不会过弱致使反应动力不足，实现反应能垒的优化。
如图，Pt/Co3O4依靠MSI机制实现了牢固的金属–载体键合、丰富的界面活性位点和快速的电荷转移，并且使Co3O4更容易从Pt位点吸附有毒副产物，这些特性都大大提升了催化剂的效率与使用寿命。
DOI: 10.1021/acsami.1c18403
环境领域
针对NOₓ还原、有机污染物降解等环境催化场景，MSI展现出双重调控作用。一方面，通过强化学键合效应，MSI可将金属单原子牢固锚定于载体表面特定位点，不仅有效避免其在反应过程中发生团聚、迁移而失活，还能稳定单原子的配位环境，维持其高催化活性与结构稳定性。
另一方面，SMSI机制形成的载体包覆层，不仅能物理阻隔毒物对金属活性位点的侵蚀，抑制金属中毒，还可通过界面电子转移精准调节金属的电子态，增强金属对污染物分子的吸附与活化能力，推动污染物高效转化降解。
DOI: 10.1016/j.cej.2025.162015
化工领域
在甲醇氧化、低碳烃转化等工业反应中，MSI可从反应机理层面精准调控反应路径。
通过调节金属活性位点的电子结构与反应中间体的吸附能垒，不仅能有效抑制CO等副产物生成，还能定向促进目标产物的选择性生成，显著提升反应的原子经济性与产物收率。同时，MSI的几何效应与化学键合效应还能形成协同作用，促进催化剂性能提升。
几何效应通过调控金属活性组分的分散度、形貌及暴露晶面，优化活性位点的空间分布与可及性，化学键合效应则通过强界面键合增强金属与载体的结合强度，两者共同作用下，可大幅提升催化剂在高温、高压等苛刻工业条件下的结构稳定性与抗衰减能力。
DOI: 10.1021/acscatal.5c02880
总之，金属–载体相互作用是指负载型催化剂中金属与载体的物理化学作用，其作用形式包含了电子、几何及化学键合效应。
由于其分子吸附强度可调控、反应选择性可控制、材料使用寿命长等特点，有金属–载体相互作用的金属–载体类型催化剂在能源、化工等领域被广泛使用。
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