亚纳米金属催化剂动态结构的密度泛函理论分子动力学研究
结题报告
批准号:
91745103
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
75.0 万元
负责人:
程俊
依托单位:
学科分类:
B0302.化学模拟与应用
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
樊祺源、孙娟娟、范雪婷、金相逢、贾玫、文小健、郭璞
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中文摘要
非均相催化体系在复杂反应条件下表现出高度的动态效应,催化剂的动态变化也对催化体系的性能有着显著影响。然后,由于缺乏高效的原位表征手段,人们对动态催化的微观认识较为肤浅。另一方面,传统非均相催化的理论计算通常只是对催化剂进行简单的静态结构优化,忽略反应条件下催化剂本身的动态特性,对催化的理解也往往局限于静态固体表面的化学吸附等电子结构效应。本项目拟发展基于密度泛函理论分子动力学模拟的方法研究亚纳米尺度的金属团簇的动态结构,并提出统计分析方法定量描述其结构的动态特征,通过自由能计算方法模拟典型催化反应的动态反应路径,计算反应自由能和能垒。从“液体”的视角审视催化体系的动态过程,理解动态催化的微观本质,并且发展动态催化体系的普适性原理,为实验构筑动态催化体系提供理论支持。
英文摘要
In heterogeneous catalysis, catalyst systems are known to show highly dynamic behavior under complex reaction conditions, and dynamics of catalysts has pronounced impact on the performance of catalysts. Microscopic understanding of catalyst dynamics is however missing due to the lack of efficient in-situ measurement techniques. On the other hand, the traditional theoretical studies of heterogeneous catalysis largely rely on simple, static geometry optimization methods, omitting the dynamic behavior of catalysts under reaction conditions. The common theoretical understanding is often limited to electronic structure theories that describe chemisorption on static solid surfaces. This proposal attempts to develop density functional theory based molecular dynamics method for investigating dynamical structures of sub-nanometer metal clusters, and propose statistical analytic methods for quantitative description of their dynamic features. Free energy calculation methods will be used to calculate the dynamic reaction paths of some model catalytic reactions, and determine the free energy changes and barriers. We will scrutinize the dynamical catalytic processes from a different viewpoint based on liquid theories, which we hope will help understand the microscopic nature of dynamical catalysis. The ultimate goal is to unravel the fundamental principle behind dynamical catalysis, which can help guide experimentalists to develop efficient dynamical catalytic systems.
非均相催化体系在复杂反应条件下表现出高度的动态效应,催化剂结构的动态变化对催化体系的性能有着显著影响。然而,传统的非均相催化理论计算通常只是对催化剂进行简单的静态结构优化,忽略反应条件下催化剂本身的动态特性,对催化的理解也往往局限于静态固体表面的化学吸附等电子结构效应。近年来,随着原位表征手段的发展,动态催化受到越来越多关注。但是在基元反应过程中催化剂的结构却被视作静态不变的,这是因为催化剂结构变化的尺度(毫秒至秒)远慢于基元反应发生的时间尺度(皮秒)。本项目立足于这一新的角度研究基元反应和催化剂结构波动之间的耦合效应,阐述催化剂的动态催化效应。通过密度泛函理论分子动力学模拟的方法研究亚纳米尺度金属团簇的动态结构,并结合自由能计算方法模拟了典型催化反应的动态反应路径,精确计算出沿反应坐标的反应自由能曲线,并获得反应的自由能和能垒。进一步系统计算了不同温度下的自由能变化,通过自由能对温度求偏导的方式定量获得反应的熵变,观察到反应自由能随温度增大异常变化,并发现反应熵变呈现出反常的峰型分布,这一现象在传统的静态计算中被忽略。进一步研究表明这一反常熵效应归因于金属团簇在反应过程中发生了准一级固-液/液-固相变。本项目从“液体”的视角审视催化体系的动态过程,说明了动态团簇相变催化的重要性。
期刊论文列表
专著列表
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会议论文列表
专利列表
DOI:https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b10464
发表时间:2020
期刊:The Journal of Physical Chemistry C
影响因子:--
作者:Hua-Min Zhang;Qi-Yuan Fan;Qing-Hong Zhang;Jin-Can Kang;Ye Wang;Jun Cheng
通讯作者:Jun Cheng
DOI:10.1126/sciadv.aaw3072
发表时间:2019-06-01
期刊:SCIENCE ADVANCES
影响因子:13.6
作者:Huang, Xiaoyan;Tang, Chun;Hong, Wenjing
通讯作者:Hong, Wenjing
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b10464
发表时间:2020
期刊:The Journal of Physical Chemistry C
影响因子:--
作者:Hua-Min Zhang;Qi-Yuan Fan;Qing-Hong Zhang;Jin-Can Kang;Ye Wang;Jun Cheng
通讯作者:Jun Cheng
DOI:10.1063/5.0001825
发表时间:2020-03
期刊:The Journal of chemical physics
影响因子:--
作者:Yvelin Giret;Pu Guo;Li-Feng Wang;Jun Cheng
通讯作者:Yvelin Giret;Pu Guo;Li-Feng Wang;Jun Cheng
DOI:--
发表时间:2020
期刊:The Journal of Physical Chemistry Letters
影响因子:--
作者:Qi-Yuan Fan;Juan-Juan Sun;Feng Wang;Jun Cheng
通讯作者:Jun Cheng
基于机器学习势函数对大尺寸金属团簇结构与环境动态耦合的理论研究
  • 批准号:
    92161113
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    75.00万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    程俊
  • 依托单位:
能源应用中的电化学:实验与理论
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    15万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    程俊
  • 依托单位:
电极/聚电解质界面结构与电化学行为研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    重大项目
  • 资助金额:
    480万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    程俊
  • 依托单位:
氧化物/水界面上光、电催化水氧化反应的理论研究
  • 批准号:
    21373166
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    77.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    程俊
  • 依托单位:
国内基金
海外基金