Pt基纳米催化剂界面调控的分子基础

Effective interface control over platinum nanomaterials provides ideal platform to study structure-dependent catalysis which is critical to the design of novel platinum nano-catalysts. In this project, we will concentrate on two hot topics, i.e. noble metal-metal oxide interface and noble metal-organic ligand interface. Systematic theoretical studies will help us to resolve some of the most fundamental aspects in interfacial catalysis: (i) the thermodynamics and kinetic factors to shape the Pt nanoparticles over the metal oxide or into the organic ligand framework; (ii) the electronic structure as well as the catalytic functions of the interfaces; (iii) adsorption, activation, transfer and conversion for the small molecules, such as CO, H2, O2, CO2, H2O etc.; (iv) elucidate the intrinsic factors for interfacial synergy for some model reactions, such as CO oxidation and water-gas shift reaction. Finally, we will combine experiment and theory, and provide the scientific backbone for the design of novel nanocatalysts.

认识和理解Pt基催化剂的界面控制对研究结构敏感反应和开发新型Pt基纳米催化剂至关重要。目前，金属与金属氧化物界面以及金属和有机配体界面的研究均非常活跃。我们系统的理论工作将二者有机地结合起来，深入认识并理解界面催化的一些关键科学问题：(i) 影响Pt纳米颗粒形貌的热力学和动力学控制因素；(ii) 界面的电子结构及其催化功能；(iii) CO, H2, O2, CO2, H2O等小分子在界面上的吸附，活化，迁移和转化过程；(iv) 以CO氧化和水汽变换为模型反应，阐明界面协同的科学内涵。结合实验，为新型纳米催化剂的理性设计提供科学依据。

项目负责人近期的工作主要围绕构筑真实条件下纳米模型催化剂，在原子或分子水平上解析纳米催化剂表界面配位结构并理解表界面催化反应过程的实质，然后再将认识应用于实际催化剂的表面改性，设计和优化催化剂的性能。主要研究成果包括通过构筑乙二醇在TiO2表面上饱和吸附的纳米模型，阐明了TiO2表面上解离吸附的乙二醇基在光照条件下合成Pd单原子的过程中形成了独特的“钯-乙二醇-二氧化钛”界面结构，并揭示了界面结构中Pd-O催化H2异裂活化独特机制；2) 系统研究了Pd金属表面吸附的有机物对金属表界面结构和空间位阻的影响，揭示了多相催化反应中有机物/金属界面提高Pd催化剂的选择性和/或活性的机制；3) 深入的理论研究揭示了界面加氢的促进机制，打破了催化中的“金属不与SiO2惰性载体发生金属载体强相互作用的定式”，在Cu-O-SiOx界面上则形成的Cu-Hδ-和SiO-Hδ+有利于极性不饱和键的加氢，如酯基加氢等，据此提出新的界面加氢催化剂的构筑机制；4)系统的理论研究发现与V5+最近邻的P5+=O具有很强的脱氢性能，DOS分析表明，和V5+=O相比，P5+=O2p上的孤对电子更接近Fermi能级，据此，提出可以采用孤对电子态中心（εlp）为描述符来定量描述P5+=O的反应活性，为复合氧化物催化剂体系中活性位快速筛选提供理论指导。标注论文发表在Science(1篇)、Nature Comm.(2篇)、ACS Catal. (2篇)和Chem. (1篇)等具有国际影响力的杂志上发表；多次应邀做多次国际、国内会议邀请报告；培养了硕士研究生4名和博士研究生3名。