γ-Al₂O₃是多相催化领域应用最广泛的载体之一，但受本征结构不明确、阳离子占位不完全、结晶度低等因素限制，其原子级精确结构长期存在争议，缺陷化学与催化性能的构效关系尚不清晰。天津大学化工学院教授赵志坚、巩金龙等建立了Al₂O₃载体原子结构、缺陷化学与单原子Pt丙烷脱氢催化性能的直接关联，为氧化物负载型单原子催化剂的理性设计提供理论依据。近日，相关研究成果发表于《ENGINEERINGChemical Engineering》。

研究团队通过构建高精度Al–O–H 机器学习原子势（MLIP），结合全局优化方法系统遍历 γ-Al₂O₃结构势能面，突破了DFT 构型搜索局限，识别出两类热力学稳定低能构型：无铝空位型γ-NAV 与含铝空位型γ-AV。

二者单位化学式能量比经典Digne 模型分别低 11.38和34.44 meV，更贴合实验 XRD表征结果。两类构型的 (100) 表面均暴露大量五配位 Al3?位点，是单原子 Pt 的最优锚定位点。

基于第一性原理热力学构建表面相图证实：丙烷脱氢（PDH）真实反应条件下，γ-NAV和γ-AV 会自发形成含氧空位及羟基的富缺陷表面；五配位 Al3+与表面缺陷协同强化金属-载体相互作用，降低了丙烷 C–H 键活化能垒。研究表明，γ-Al₂O₃能用单一晶体模型描述，可视为一组能量相近、富含不同特征缺陷的结构族。

区别于以往仅研究理想洁净表面，团队依托从头算热力学构建了PDH 高温还原条件下的表面相图。传统模型洁净表面最稳定，而γ-NAV和γ-AV会自发生成含氧空位和羟基的富缺陷稳定表面，且两类新晶格具备优异结构柔性，缺陷浓度对表面自由能影响微弱，厘清了真实反应环境下氧化铝表面缺陷的存在形式。

结合Bader 电荷分析 Pt 界面电荷转移规律，铝空位和表面羟基改变了五配位 Al3+酸性，调控了Pt 原子电子富集程度与配位模式；γ-AV 体系中 Pt 专一锚定 Al 位点，界面电荷重分布更强，揭示了载体缺陷和羟基修饰协同强化金属-载体相互作用的机制。该电子结构特征进一步影响了负载单原子 Pt 的两步 C–H 活化能垒。

本工作发现γ-NAV和γ-AV 活化势垒远低于传统 Digne 模型，其中含铝空位γ-AV 催化性能最优；证实表面氧空位、羟基、五配位 Al 位点协同降低丙烷 C-H 断裂能，完整建立γ-Al₂O₃缺陷化学、原子结构与丙烷脱氢活性的直接构效关系。

相关论文信息：https://doi.org/10.1007/s11705-026-2690-2