含三个活性金属原子的团簇体系活化转化氮气分子的机理研究
批准号:
92161115
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
75.0 万元
负责人:
丁迅雷
依托单位:
学科分类:
化学动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
丁迅雷
中文摘要
本年度重大研究计划重点资助方向“团簇的功能与应用”继续关注“温和固氮及机制”的相关研究。温和条件下氮气还原反应(NRR)具有重要的应用价值。单原子、单团簇催化的发展为温和NRR的实现提供了可行的方向。本项目以团簇为模型体系,以包含三个活性金属原子的团簇为突破口,系统研究同核、异核金属碳化物、氮化物等团簇体系以及包含团簇载体的体系。以密度泛函理论为基础,使用概念密度泛函理论等分析方法,深入研究单原子类催化体系活性位点的电子结构信息,关注金属-金属、金属-氮气相互作用,在分子水平上研究氮气分子活化转化的微观机理。使用火山图、热度图、机器学习等方法探索影响催化反应活性的关键因素,提出合理预测催化性能的描述符。结合必要的实验和周期性模型方法以提高研究的可靠性。本项目充分发挥团簇模型系统性理论研究的优势,全面、深刻地揭示复杂催化反应的微观机制,为合理设计和实际合成NRR催化剂提供重要的理论指导。
英文摘要
One of the key research directions funded by the Major Research Plan this year, "the function and application of clusters", continues to support the research on "mild nitrogen fixation and its mechanisms". Nitrogen reduction reaction (NRR) under mild conditions is of great importance in applications. The progress of single-atom and single-cluster catalysis provides a feasible direction for NRR under mild conditions. In this project, we use clusters as the model systems, and select clusters with three active metal atoms as the starting point to break through. The research systems include homonuclear and heteronuclear metal compound clusters (e.g., carbides, nitrides) and systems with supporting clusters. Based on density functional theory calculations, the conceptual density functional theory and other analysis methods will be used to explore the electronic structure of active sites of single-atom/single-cluster catalysts, investigate the microscopic information of metal-metal and metal-nitrogen interactions, and reveal the microscopic mechanisms of the activation and conversion of dinitrogen at the molecular level. The essential factors affecting the catalytic activity will be explored using the volcano diagram method, heat map method and machine learning method, based on which descriptors will be proposed for reasonable prediction of catalytic performance. The necessary experiments and periodic model methods are combined to improve the reliability of the research. This project will take full advantage of systematic theoretical research with cluster models, gain a comprehensive and profound understanding of the microscopic nature of complicated catalytic reactions, and provide crucial theoretical guidance for the rational design and practical synthesis of NRR catalysts.
在温和条件下通过氮气还原反应(NRR)制氨,具有极其重要的价值。但是氮气分子的强稳定性导致其在常温常压条件下难以参与化学反应。单原子和单团簇催化的发展,为催化剂的设计提供了一个可行的方向。为了开发能够有效实现温和条件下NRR过程的新型催化体系,需要深入研究氮气活化的微观机理。团簇作为活性位点的简单模型,可以在原子分子层次上揭示化学过程的微观机理。在“团簇构造、功能及多级演化”重大研究计划的统一框架下,本项目选取团簇作为模型体系,以包含三个活性金属原子的团簇为切入点,系统研究了同核和异核团簇以及包含载体的氮气活化反应体系。本项目以密度泛函理论为基础,运用概念密度泛函理论等分析方法,深入研究催化体系活性位点的电子结构信息,分析金属-金属、金属-氮气相互作用,在分子水平上研究氮气分子活化转化的微观机理。使用火山图、线性拟合等方法探索影响催化反应活性的关键因素,提出预测催化性能的描述符。本项目还结合实验工作和周期性模型方法,提高了研究的全面性和可靠性。研究工作取得了显著的进展。揭示了不同催化体系中氮气活化的微观机理,总结出了一般性规律,明确了活性金属原子的种类、数量、配位形式以及外部因素(如促剂、载体、掺杂、外电场等)对催化性能的影响,设计并筛选出高效NRR催化剂,为实验制备相关催化剂提供理论基础。在电子结构层面,深入探索了催化剂种类以及其它关键因素对氮气活化和NRR催化反应活性影响的微观机制,提出描述氮氮键强度和预测催化剂性能的描述符,为筛选优良NRR催化剂和设计高效催化位点提供指导。项目充分发挥团簇模型系统性理论研究的优势,使用团簇模型系统研究了多种重要体系的活性位点及其与载体的相互作用,同时利用周期性模型研究了二维材料负载的催化体系,较为全面、深刻地揭示了复杂催化反应的微观机制。项目为合理设计和实际合成NRR催化剂提供了重要的理论指导,对于推动温和固氮具有重要意义。
贵金属单原子催化剂活化和转化甲烷的机理研究
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批准号:91545122
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:81.0万元
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批准年份:2015
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负责人:丁迅雷
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依托单位:
铜族与稀土二元金属氧化物团簇低温催化氧化一氧化碳的研究
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批准号:21173233
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项目类别:面上项目
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资助金额:57.0万元
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批准年份:2011
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负责人:丁迅雷
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依托单位:
国内基金
海外基金