金团簇催化性质以及设计金催化结构的第一原理研究

金团簇催化性质以及设计金催化结构是当前广泛关注的研究主题。我们基于对金团簇的研究积累并结合本领域的研究进展，抓住具有重要基础科学意义的研究课题，采用第一原理方法展开研究。详细的催化反应过程是贵金属颗粒催化领域的关键性研究课题，针对反应过程的复杂性，采用Nudged Elastic Band Method (NEB)和Dimer技术，研究金团簇在不同条件下对小分子的最佳催化反应路径，探讨小尺寸金团簇的催化性能与团簇尺寸、支撑材料、掺杂材料之间的尺寸效应、载体效应、掺杂效应等基本物理问题，即给实验和应用研究提供理论支持，也起到预测作用，又有益于新催化结构的探索和设计研究。另一方面，采用贵金属催化剂领域常用的过渡金属元素，首先研究其与金的二元团簇结构，以及对金团簇结构进行原子置换或内部掺杂，然后验证稳定性和催化性能，实现在原子尺度上设计新催化结构的目的。

通过项目研究,采用基于第一性原理计算基础上的Nudged Elastic Band Method (NEB)和Dimer技术，我们探索了金团簇在催化氧化CO反应中的反应路径，并借助于初末态和中间态电子结构的详细分析，从原子分子角度出发对催化机理进行了理解。已经完成的研究主要工作包括：①研究了金笼子结构由于氢化石墨烯增强的稳定性，其间的电荷转移增强的催化性能，发现其具有自促进的CO免中毒性质；②富勒烯及改性富勒烯支撑Au团簇研究中发现支撑材料对生长模式的影响，幻术团簇出现在4、6、9尺寸处，对应的氧化反应研究发现了较好的反应活性；③对比研究了一价金属团簇,其中对于Na吸附研究，详细阐述了分层生长导致的负电性差别，解释了实验观测中的3p振荡规律，纠正了以往报导的三角基元生长研究结论；④过渡金属掺杂金团簇研究中，发现小分子吸附、带电状态、支撑材料都可以使其发生Oh和Ih结构之间的转变，但其对应的转变机理不同，为掺杂改性的实验研究提供了理论借鉴；⑤将金团簇催化研究中的理论知识推广到轻金属配位氢化中，探讨了不同过渡金属对金属铝的催化储氢性能提升机理。总之，通过项目研究，全面展开了贵金属纳米催化结构研究，锻炼培养了一支研究队伍。做为项目研究的延伸，我们将集中精力在自催化机理、二元或三元合金贵金属纳米结构的协同催化机理、限域催化材料方向继续开展研究工作。同时，将研究中获得的纳米催化机理拓展到先进能源材料领域中的纳米催化问题探讨中，开展具有创新性的科学研究探索。