目前，含碳资源的催化转化仍然是世界范围内经济增长和能源结构调整过程中面临的主要挑战。开发高效的含碳资源转化催化剂是解决能源和环境问题的重要途径之一。在这些转化过程中，碳起着至关重要的作用，因为碳不仅是反应中的关键元素，而且还可能导致催化剂化学性质的改变。了解催化材料的结构与性能关系是开发催化剂的基础。特别地，在含碳资源的转化过程中碳对催化剂结构的调节作用已引起越来越多的关注。在过去的五年中，已经使用理论方法系统地研究了碳对Fe-，Co-，Ni-和Mo基催化剂的调节作用。

有鉴于此，中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东研究员等人，着重概述了过渡金属催化剂（Fe，Co，Ni，Mo和其他过渡金属）的活性相，形态，表面结构，电子性能和催化性能，介绍了炭对这些催化剂的调节作用，以阐明如何根据催化剂的渗碳和与碳有关的表面反应来调节碳的行为。

本文要点

1）以Fe、Co、Ni和Mo为例，通过理论研究探讨了碳在催化转化含碳资源过程中对过渡金属性能的调节作用。通过结合DFT，经典和从头算MD，全局优化算法和从头算原子热力学的组合，可以估算碳插层过渡金属簇和表面的结构。

在得到的结构的基础上，可以了解碳吸附/渗透过程的热力学和能垒，并通过分析电子结构（d带中心，原子电荷，磁矩，轨道相互作用）来探索催化性能和渗碳表面上选定的基本表面反应的障碍。

2）特别是，揭示了碳化学势在催化过程中的重要作用，它决定了催化剂的渗碳程度，催化剂的表面和本体结构与组成以及颗粒形貌。高碳化学势不仅可以通过合成气气氛实现，而且可以通过几乎所有的含碳分子（例如CO，CO₂，CH₄和C₂H₄）以及它们与其他物种（例如H₂，H₂O和N₂）的混合来实现。应特别注意气相碳化学势(μ_C^Gas)、催化剂表面区碳化学势(μ_C^Surf)和本体中碳化学势(μ_C^Bulk)之间的关系。

参考文献：

Xingchen Liu et al. Theoretical Perspectives on the Modulation of Carbon on Transition-Metal Catalysts for Conversion of Carbon-Containing Resources. ACS Catal., 2021.

DOI: 10.1021/acscatal.0c04739

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c04739