废气、废水中含氮污染物消除的理论基础

废气、废水中含氮污染物的排放已引发日益严重的环境问题，综合治理环境污染刻不容缓。目前世界各国均重视发展新型的DeNOx工艺，环保型催化剂已成为目前催化剂市场中增长最快的领域。本课题将应用以量子化学为主的理论方法，结合量子力学/分子力学（QM/MM）和动力学蒙特卡洛（KMC）方法，着重考察氧化物表面各类含氮物种的形成、相互转化和降解途径；关联酶催化中的硝化/反硝化过程，认识中心离子的类型、价态、配位环境等对含氮污染物降解的影响，进而阐明催化反应的构效关系；总结规律、抽提概念，提升对氧化物催化剂的选控能力，为新型环保催化剂的理性设计提供科学依据。

依照申请内容，我们系统研究了三个方面内容，已发布标注的SCI收录论文6篇(其中三篇为一区，三篇为二区) .考察了SCR三种可能的反应机理，指出在反应过程中Brønsted酸和Nitrite机理的活化能垒均在实验值的范围内，应是相互竞争的。结果已发表在 Phys. Chem. Chem. Phys. 上。 对于SCO反应，研究表明NH3初始活化最有利的方式是转移一个电子到V上未占据的d轨道上同时生成NH3+中间体。而后继的反应过程很大程度上取决于气相中NH3和O2的含量。该成果已发表在J. Phys. Chem. C。.我们与郑南峰课题组（实验）合作，应用DFT方法研究气相小分子和含氮有机物吸附对贵金属纳米材料形貌和性能的调控机制。模拟表明，油胺和CO在表面有序排列可能是形成Pt纳米立方块的关键原因。理论还预测，当无油胺共吸附时，高覆盖度的CO亦可导致Pt纳米立方块的形成，这一点亦被实验所证实，该结果已发表在 Chem. Comm.上。深入探讨有机胺对肉桂醛等不饱和化合物催化选择加氢的影响，发现长链的胺（如油胺，C18胺等）可以在Pt3Co催化剂表面形成较为刚性的吸附结构，具有较大的位阻，导致肉桂醛只能通过C=O和表面作用，这时选择加氢的产物主要为肉桂醇；而短链的胺则主要得到C=C加氢的产物。(已发表在Angew. Chem. Int. Ed.) 研究还发现，当使用H2和CO一起为还原剂制备Pd纳米颗粒时，可制备得到一种独特的具有四角叉的结构。计算表明，由于H2的作用，表面甚至体系形成了氢化物（PdHx），有效抑制了CO在表面的吸附，较好地解释了实验上的现象，以发表在J. Am. Chem. Soc. .MoVTeNbOx催化剂中部分的原子位即可能Mo占据，也可以是V占据的。我们发展了一套基于量子化学的估算方法，可以快速准确地预测MoVTeNbOx催化剂中各种构象的相对能量，其计算量只有传统方法的几十分之一。结合统计方法可预测了不同取代位V的平均含量，V-V的相关效应，以及平均的M-O键长。该论文被Angew.Chem.Int.Ed选为内封面文章。