单原子催化剂M1/TiO2(M=Cu,Ag,Au,Pt,Pd,Ir)催化甲胺裂解的理论研究

The single-atom catalyst is a newly developed heterogeneous catalyst, which possess high activity and realize the maximum utilization of the noble metal. In this program, we will investigate the decomposition mechanisms of methylamine catalyzed by single-atom catalysts M1/TiO2 (M=Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Ir). Our theoretic work includes: the decomposition mechanisms of methylamine on the different M1/TiO2 surfaces, and the electronic structure analysis of M1/TiO2 with the different crystal form, crystal face, and oxygen defects. The adsorption energies of possible species and the activation energies for the possible elementary reactions involved in the methylamine decomposition catalyzed by M1/TiO2 will be investigated by density functional theory combined with periodic slab model. This program aims to reveal M1/TiO2-catalyzed decomposition mechanism of methylamine, and the effect of crystal form, crystal face, and oxygen defects on the catalytic activity of M1/TiO2, and to provide useful theoretical references to direct experiment effectively.

单原子催化剂是最新发展起来的多相催化剂。该类催化剂具有高的催化活性，而且实现了贵金属原子的最大利用率。本项目拟以甲胺为研究对象，对单原子催化剂M1/TiO2(M=Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Ir)催化其裂解的机理进行基础科学研究。主要研究内容包括：甲胺在不同晶型、晶面、氧缺陷的二氧化钛负载贵金属的单原子催化剂表面裂解的机理；不同晶型、晶面、氧缺陷的二氧化钛表面负载贵金属的单原子催化剂的电子结构性质。研究方法采用DFT方法和周期性平板模型，计算单原子催化剂M1/TiO2催化甲胺裂解涉及到的吸附物种的吸附能以及涉及到的各个基元反应的活化能。本项目旨在揭示单原子催化剂M1/TiO2催化甲胺裂解的机理，以及晶型、晶面、氧缺陷等因素对于二氧化钛催化活性和甲胺裂解的反应机理的影响，为有效地指导科学实验提供一定的理论参考依据。

能源和环境问题是未来 50 年人类发展所面临的首要问题。随着社会经济等的发展，我们对能源的需求越来越大。多相光催化技术已成为降解有机污染物最有发展前景的环境污染治理手段之一。本课题针对这些问题，采用DFT方法和周期性平板模型，对多相催化剂催化甲胺、甲醇的裂解、以及1,3-丁二烯、醋酸根、乙炔的反应进行了研究。首先，我们构建出合理的催化剂模型，并进行了优化，得到最稳定的构型。其次，对本项目中涉及到的各个基元反应中的反应物、产物进行构型优化，确定最稳定的吸附位置。最后，采用“轻推弹力带”方法进行反应途径的理论计算，从而确定各个反应的过渡态的构型，并且计算反应的活化能。通过反应活化能的计算，可以获得所研究的小分子反应的具体的反应机理。本研究成果为催化小分子反应的机理提供科学、可行的理论计算方法，同时也为设计高催化活性的催化剂提供一定的理论指导。在本项目的资助下，发表论文8篇，授权发明专利5项，实用新型专利1项，参加了1次学术会议，4名教师晋升了职称。