异相金属催化剂界面结构及其催化性能的理论研究

在当前能源短缺日益严重的形势下，如何利用催化技术解决这些问题成为科学家关注的焦点。实验和理论工作者在研究催化剂的表面（界面）结构和催化特性方面做了很多努力，其中，异相金属催化剂因其优异的催化活性以及高选择性而备受关注，目前已被广泛应用于很多化学反应催化和电化学催化领域。本项目拟采用基于第一性原理的密度泛函理论方法研究异相金属催化剂的几个重要问题,包括催化剂界面的几何结构、电子结构及其稳定性；原子（分子）在催化剂表面、界面的吸附和迁移；杂质的渗透机理，在制氢反应中的氢的溢流机制。旨在通过理论模拟研究手段，结合实验结果，探讨异相金属催化剂的催化特征、不同组分间的协同作用以及沉积金属的促进作用的机理，预期从理论上设计具有特定催化特性的催化剂。作为基础研究，该课题将对开发新能源，净化环境的全球战略措施有所贡献。

在当前能源危机与环境污染的双重压力下，如何利用催化技术解决问题称为科学家关注的重点。本项目采用基于第一性原理的密度泛函理论研究了异相金属催化剂的几个问题。..从探索新的团簇催化剂开始,对以Pt-Au为基的合金型催化剂材料,分析能够同时去除SO2和CO的最佳组合。我们研究了以PtlAum(CO)n团簇作为催化剂在同时去除CO和SO2反应中的反应活性，提出了催化剂PtAu(CO)3催化同时处理CO和SO2的理想反应路径。考虑到既然预吸附CO后的双金属催化剂[PtAu(CO)n]不仅使反应的活化能降低，且可以防止催化剂中毒，表现出母体催化剂所不具备的优异催化性能。其内部机制是什么？预吸附的CO对原有的贵金属的电子结构和性能有什么影响？小分子如何调控贵金属的催化性能？对催化剂[PtlAum(CO)n]的晶体场稳定化能、电子结构进行分析比较后，发现预吸附CO分子使部分电荷从CO转移到PtlAum上以饱和贵金属团簇，这将使得催化剂与硫产物之间的相互作用变弱，防止了反应中的硫中毒问题。由于相对论效应的影响，Pt和Au是电负性最高的两种元素，作为纳米催化剂时，往往会从周围的体系中获取电荷，使其带负电。贵金属带电后，团簇的结构、电子结构、磁学性能及对小分子的吸附能力都会发生相应的变化。我们比较了PtAu(CO)n带负电和不带电的情况下催化剂性能的区别，发现[PtAu(CO)n]–的催化性能不如PtAu(CO)n，但优于Au2(CO)n的催化性能。因此在使用贵金属催化剂时要尽量除去其表面的静电，以保持其优异的催化性能。总之，我们解释了双金属复合催化剂的优异催化性能的原因，并且为调控催化剂的性能提供了一条新的途径。..NiCu合金催化剂在水-气转换和甲醇合成反应中显示出特殊的活性。如何调控表面的活性使催化剂朝着期望的方向进行是催化科学的主要目标之一。我们展示了利用第一性原理计算方法可以设计和裁剪NiCu表面的的催化活性和选择性。我们研究了Ni合金Cu(110)表面的形成及其稳定性，CO、NO、O在Cu(110) 和合金表面的吸附性质，以及Pt合金Cu(110)和Cu(111)表面的形成及其稳定性，讨论了CO、NO、O在一系列合金结构表面上的吸附性质。并通过吸附位、吸附能、偏析能、金属d带中心的变化进行了讨论。.作为基础研究，该课题将对开发新能源，净化环境的全球战略措施有所贡献。