金屬載體相互作用MSI（metal-support interaction）是異相催化最重要的概念，但是因為界面的復雜特點，如何開發金屬-載體相互作用的理論仍是個巨大挑戰。有鑒于此，中國科學技術大學李微雪教授等報道基于實驗研究、可解釋機器學習、理論推導、第一性原理等進行結合，建立了基于金屬-金屬（metal-metal）相互作用和金屬-氧化物（metal-oxygen）相互作用的金屬-氧化物相互作用基本原理。這種原理能夠用于氧化物載體擔載金屬納米粒子/金屬原子以及金屬載體表面的氧化物膜。研究發現，后過渡金屬催化劑構筑的金屬-氧化物載體體系以及金屬納米粒子的表面氧化物封裝結構，金屬-金屬間相互作用起到主導作用。通過對10種金屬和16種氧化物的廣泛實驗，驗證強金屬-金屬相互作用能夠導致發生封裝現象的原理。這項研究揭示的強金屬-載體相互作用能夠推動擔載金屬催化劑的設計。 基于壓縮感知原理的數據驅動方法 SISSO (Sure Independence Screening and Sparsifying Operator)研究MSI相互作用。將相關報道出現的25種金屬和27種氧化物構成的178個金屬-氧化物界面研究MSI的關鍵參數，吸附能（Eadh）。為了保證數據的可靠性，通過液態金屬顆粒滴加在氧化物的潤濕實驗取得數據。
首先考察了金屬氧化物界面物理性質有關的各種物理參數，篩選了14個獨立且重要特征。通過簡單的數學算符，對超過300億個數學表達式進行了全面探索，以確保模型的可解釋性，而且不損害準確性。通過壓縮感知方法，確定了二維模型。
得到的模型對測試的數據集表現優異，準確性達到14meV/?2，比神經網絡模型以及其他描述符更好。Eadh模型含有Q(MO)和Q(MM)項。由于Eadh模型非常準確，因此能夠用于預測氧化物載體修飾金屬的接觸角α，并且能夠用于預測這種氧化物載體修飾金屬的抗燒結能力。結果表明，當MSI的強度適中（不是太強或者太弱），而且接觸角為~90°，具有最大的熱穩定性。基于Young–Dupré方程|Eadh|=γM(1+cosα)，能夠計算得到675種金屬-氧化物界面的α接觸角。VIII族金屬的α角度主要分布在80°~120°之間，這接近最合適的接觸角α。但是，幣族金屬具有較弱的MSI相互作用，大多數α都超過120°，因此容易燒結，需要增強MSI相互作用克服燒結問題。圖2. 金屬載體相互作用的本質以及用于不同界面體系
由得到的MSI模型發現MSI相互作用由短程MOI和MMI所決定。當假定MSI由界面的臨近化學鍵決定的時候，能夠推導得到模型
Eadh = α1?Q(MO) + α2?Q(MM′) + α0
其中，α1和α2對應于界面金屬-氧化學鍵和界面金屬-金屬化學鍵的數量，α0表示其他未考慮的影響。通過分別考慮MOI和MMI，能夠分析MOI和MMI對MSI的貢獻。結果表明MOI明顯比MMI的變化范圍更大，MSI的整體強度主要由MOI決定，每種不同金屬導致MSI的強度不同，表明擔載金屬產生的影響。同時，MMI項能夠區分不同金屬氧化物載體修飾的金屬，表明載體效應的影響。比如，對于修飾在不同氧化物載體上的Pt金屬，雖然MOI的數值達到53meV/?2，但是MMI的變化區間達到30~120 53 meV/?2，說明后期過渡金屬催化劑的M′親和性對MSI起到主要作用。 MSI能夠拓展用于金屬載體表面的氧化物膜。這種氧化物膜能夠用于研究SMSI效應和封裝金屬。結果表明，M′親和力越強，粘附力越強。Pt、Rh、Ir、Ru和Pd表現出很強的粘附性，超過1.24eV/Fe原子（175meV/?2），說明載金屬M的強M′親和力在包封中起著至關重要的作用。這種MSI理論能夠解釋經典SMSI和封裝體系。通過分子動力學模擬研究金紅石TiO2（011）載體上含有305個原子的Pt、Pd、Rh和Ru簇（直徑~3nm）的高溫經典SMSI。表面優化的α范圍106°~122°，表明MSI比較弱。同時，計算Cu和Ag體系，作為比較。通過引入12.5%的氧空位，模擬還原體系。對于具有強M′親和力[|Q(MM′)|>10.8eV]的Pt、Pd、Rh和Ru，觀察到TiO2-x低價氧化物遷移到金屬NP上，而且形成了封裝的覆蓋層結構，實驗測試同樣觀察到這些體系的封裝。對比的M′親和力較弱[|Q(MM′)|<8.8 eV]的Cu和Ag，沒有發生這種封裝現象，這與Cu和Ag體系沒有封裝的實驗結果是一致的。
作者研究得到了產生封裝現象的標準，當|Q(MM′)|>|Q(M′M′)|能夠發生封裝。根據Q的定義，能夠將其轉化為方程
根據這個規律，研究了10種后過渡金屬和16種氧化物載體發生封裝的可能性，驗證了這個理論能夠對這些體系研究。比如，對于ZrO2、TiO2、CeO2價態為4價的氧化物，Ir、Pt、Ru、Rh具有更強的M′，因此產生封裝。但是Ag具有更弱的M′，因此沒有封裝的驅動力。對于Pd、Ni、Co、Au、Cu等M′適中的金屬，是否封裝對于氧化物的性質非常敏感。Pd、Ni、Co、Au能夠在CeO2和TiO2上封裝，但是Cu在CeO2上封裝。但是Pd、Ni、Co、Au、Cu無法對ZrO2發生封裝。SiO2和Al2O3具有適中的|Q(M′M′)|，具有不可還原性和弱MSI，因此通常被認為是無法封裝的載體，但是作者發現在非常苛刻的反應條件仍可能發生封裝。Tairan Wang, Jianyu Hu, Runhai Ouyang, Yutao Wang, Yi Huang, Sulei Hu, and Wei-Xue Li, Nature of metal-support interaction for metal catalysts on oxide supports. Science 386, 915-920(2024) DOI: 10.1126/science.adp6034https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6034
