能源和环保催化剂理性设计的科学基础

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
21133004
项目类别：
重点项目
资助金额：
280.0万
负责人：
徐昕
依托单位：
复旦大学
学科分类：
B0301.化学理论与方法
结题年份：
2016
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2016-12-31

项目参与者：
傅钢；吴安安；吴剑鸣；袁汝明；王新兰；郭文平；楚振坤；李宏平；杨勇；
关键词：
表面化学反应机理簇模型方法周期性模型方法密度泛函理论催化反应动力学

项目摘要

催化在缓解能源短缺和解决环境污染方面发挥着极其重要的作用。催化的核心问题是如何阐明活性中心的微观结构，理解反应的构效关系，提升对新催化材料的选控能力。本项目将紧密结合能源、环境相关领域的需求，发展和应用以密度泛函为主的理论方法，并结合量子力学/分子力学（QM/MM）、动力学蒙特卡洛（KMC）和分子动力学（MD）方法开展工作，深入探讨低碳烃类的选择氧化、合成气的催化转化、含氮和含硫化合物的消除等一系列重要的多相催化过程，系统考察相关表面活性相和活性物种的生成机制，认识高指数晶面、表面掺杂和载体等对反应过程的影响，揭示在特定表面上化学键形成和断裂的微观机理，建立表面上的氢原子转移、氧原子转移以及（氮）氧物种形成等重要步骤的理论模型，拓展催化氧化(还原)的实践途径，探明复杂反应网络中重要的基元过程，认识催化定向转换的热力学、动力学控制因素，为面向能源和环保的催化剂的理性设计提供科学依据。

结项摘要

催化在缓解能源短缺和解决环境污染方面发挥着极其重要的作用。催化的核心问题是如何阐明活性中心的微观结构，理解反应的构效关系，提升对新催化材料的选控能力。本项目致力于发展和完善密度泛函理论，尤其着重发展XYG3型双杂化泛函，提出了lrc-XYG3、xDH-PBE0和无参数的PBD-ACDH等，并实现xDH的解析能量梯度，使得可以获得催化体系更精确的势能面信息以及各种相关性质；发展可精确描述复杂体系的组合量子化学模型方法XO和DCMB，与高精度普适泛函相结合，不仅精确考察活性中心的电子结构信息，亦能有效包含环境因素的影响；自主发展自洽的动态蒙特卡洛（KMC）方法（SC-KMC），有效地克服时间尺度分离分离的难题，可极大提高KMC的效率；强调并阐明多相催化是个多因素系统的动态过程，催化性能由催化剂的表面结构，起协同作用的环境，如共吸附物种，以及载体等共同控制。基于局域敏感度分析等方法获得的催化过程决定态，用于建立高效和精确的多尺度动力学模型，为理性地搜索设计新催化剂提供坚实的基础。