能源和环保催化剂理性设计的科学基础

催化在缓解能源短缺和解决环境污染方面发挥着极其重要的作用。催化的核心问题是如何阐明活性中心的微观结构，理解反应的构效关系，提升对新催化材料的选控能力。本项目将紧密结合能源、环境相关领域的需求，发展和应用以密度泛函为主的理论方法，并结合量子力学/分子力学（QM/MM）、动力学蒙特卡洛（KMC）和分子动力学（MD）方法开展工作，深入探讨低碳烃类的选择氧化、合成气的催化转化、含氮和含硫化合物的消除等一系列重要的多相催化过程，系统考察相关表面活性相和活性物种的生成机制，认识高指数晶面、表面掺杂和载体等对反应过程的影响，揭示在特定表面上化学键形成和断裂的微观机理，建立表面上的氢原子转移、氧原子转移以及（氮）氧物种形成等重要步骤的理论模型，拓展催化氧化(还原)的实践途径，探明复杂反应网络中重要的基元过程，认识催化定向转换的热力学、动力学控制因素，为面向能源和环保的催化剂的理性设计提供科学依据。

催化在缓解能源短缺和解决环境污染方面发挥着极其重要的作用。催化的核心问题是如何阐明活性 中心的微观结构，理解反应的构效关系，提升对新催化材料的选控能力。本项目致力于发展和完善密度泛函理论，尤其着重发展XYG3型双杂化泛函，提出了lrc-XYG3、xDH-PBE0和无参数的PBD-ACDH等，并实现xDH的解析能量梯度，使得可以获得催化体系更精确的势能面信息以及各种相关性质；发展可精确描述复杂体系的组合量子化学模型方法XO和DCMB，与高精度普适泛函相结合，不仅精确考察活性中心的电子结构信息，亦能有效包含环境因素的影响；自主发展自洽的动态蒙特卡洛（KMC）方法（SC-KMC），有效地克服时间尺度分离分离的难题，可极大提高KMC的效率；强调并阐明多相催化是个多因素系统的动态过程，催化性能由催化剂的表面结构，起协同作用的环境，如共吸附物种，以及载体等共同控制。基于局域敏感度分析等方法获得的催化过程决定态，用于建立高效和精确的多尺度动力学模型，为理性地搜索设计新催化剂提供坚实的基础。