由H₂和O₂直接合成过氧化氢(DSHP)是一种很有前景的H₂O₂合成方法，Pd基催化剂因其对DSHP的高活性，一直被认为是最有潜力的DSHP催化剂。然而，Pd颗粒表面连续的活性位点增加了副反应发生的概率，导致H₂O₂选择性较低，阻碍了DSHP反应中Pd基催化剂的发展。单原子催化剂概念的提出，为解决DSHP领域的这一关键问题提供了思路，但用于热催化合成H₂O₂的单原子催化剂却很少有报道。

针对该问题，近日北京化工大学程道建教授课题组通过第一性原理理论提出了锚定在γ-Al₂O₃(100)表面上孤立的Pd原子(Pd₁@Al₂O₃(100))可以作为DSHP的多相催化剂，微观动力学分析表明该单原子催化剂具有接近100%的H₂O₂选择性。

该工作首先通过热力学计算探究了Pd单原子催化剂的热力学稳定性，发现Pd原子在反应条件下可以稳定地锚定在γ-Al₂O₃(100)表面，这是因为强电子金属-载体相互作用(SEMSI) 的存在。随后通过相图分析确定了反应氛围中稳定的Pd₁@Al₂O₃(100)表面状态，并以此结构研究了Pd₁@γ-Al₂O₃(100)催化H₂和O₂合成H₂O₂的整个反应机理。微观动力学计算结果表明Pd₁@Al₂O₃(100)表现出对H₂O₂近100%的选择性，远高于Pd(111)表面。速率控制度分析对比了在Pd₁@Al₂O₃(100)表面与Pd(111)表面上控制H₂O₂合成的关键步骤的异同。最后的电子和几何结构分析揭示了单原子催化剂Pd₁@Al₂O₃(100)在O₂活化与抑制副反应方面的作用。

该项工作通过第一性原理计算和微动力学分析，证明了嵌入到γ-Al₂O₃(100)中Al空位上的Pd单原子直接合成H₂O₂的可行性，发现Pd₁@γ-Al₂O₃(100) 具有高的抗原子聚集稳定性，以及对H₂O₂的高选择性是由于具有孤立的高氧化态Pd活性位点，这是由SEMSI引起的，研究结果为进一步设计Pd单原子催化剂直接合成H₂O₂提供了依据。