催化研究的三个抓手
高效做事的前提是掌握了正确的方法,科研上,就是范式!
最近,一个刚入学的研究生告诉我,他的课题是光催化,而他的本科背景是材料科学,感觉不知道如何入手催化研究。这里,我给他推荐了几个催化研究的抓手,您看是否合理:
抓手1:反应热力学和动力学是根本。几乎所有的催化,都是在试图调控反应热力学/动力学,从而实现我们对反应速度、产物选择性以及节能减排等需求。这里就需要提醒一些非化学化工背景的同学,尽快熟悉物理化学,尤其时热力学定律和典型热力学量。这些是敲门砖,是把握反应基本盘的工具。热力学让我们明确反应吸热还是放热,以及自发性如何。特定的催化类型,例如电催化,还能通过计算获得过电位等,请参考:

而动力学回答了反应快慢问题,研究的主要工具是过渡态和能垒计算:

抓手2:经典近似理论是数据解读的必备武器。在化学史上,各种经典理论层出不穷,由此引入了各类化学概念,例如化学价、杂化、轨道、化学键等,这些比量子化学更加深入人心。在解释实验数据时,如果要把抽象的量子化学或第一原理数据进行“实验人员也能听得懂”的阐释,必须熟悉这些经典理论,例如分子轨道理论、价键理论、晶体场理论等。初学者建议看看这几个视频:

涉及表面分析,尤其是活性位如何起到催化作用,晶体场理论非常实用:

抓手3:擅用而非滥用一些已经建立起来的电子水平的理论。非常基础的方法包括量子化学、密度泛函理论、分子动力学等,如果有时间,尽量去补一补。实战中,还有一些典型的工具,包括d-band理论、火山曲线、线性约束关系等,强烈建议去掌握,分清适用条件,避免滥用。我就上述三种简易工具做了视频如下,而尤其需要重视的细节包括:
d-band理论的适用条件和计算方法(特别要小心d-band中心如何从态密度积分获得)

火山曲线的难点在于指标因子的确立,这涉及反应中间态分析:

线性约束对很多催化小白是一个难点,切记反应各阶段是关联的、而非独立:

我把自己精心总结的建模方法、催化理论(含简化理论、量子化学、密度泛函)、经典分析方法、独特的反应分析方法、高通量等催化手段,集中到催化零基础的课程。理论结合实际操作,让初学者能快速入门。感兴趣可联系老司机。
