金属配合物团簇吸附与转化二氧化碳的研究

Carbon dioxide (CO2) is one of the major greenhouse gas, as well as a cheap and abundant C1 molecule. The transformation of carbon dioxide is important for the environmental protection and resource utilization. Metal complexes are crucial catalysts for transformation of carbon dioxide; however, the reaction mechanisms for transformation of carbon dioxide by metal complexes are still unclear. Gas-phase cluster method is one of the key strategies for the study of carbon dioxide transformation: the reaction mechanisms can be studied at the molecular level by this method, and the understanding of the mechanisms of catalysts is helpful to improve the metal complex catalysts. We will study the adsorption and transformation of CO2 by metal complex clusters, based on the techniques of mass spectrometry and infrared photodissociation spectroscopy in conjunction with the theoretical calculations. Due to the study of the reactions of gas-phase metal complex clusters with CO2 in this program, we can understand the influences of cluster structures, cluster sizes, ligand effects and adsorption sites of CO2 for the transformation of carbon dioxide. The mechanisms for transformation of carbon dioxide at the molecular level will be given in this program, which is hopeful to uncover the general rules for transformation of carbon dioxide by metal complexes.

CO2是主要的温室气体，也是一种廉价、丰富的 C1 资源，实现CO2的化学转化，无论从环境保护还是资源利用的角度考虑，都具有十分重要的意义。金属配合物是一种有效的CO2化学转化的催化剂，但人们对其活化CO2的反应机理的了解仍然非常有限。气相团簇方法是研究金属配合物与CO2反应的一条重要途径，它可以从分子水平上研究其反应过程，为理解催化剂的反应机理提供重要的理论依据，也有利于发展和改进金属配合物催化剂。本项目申请人拟应用质谱结合红外光解离技术，并应用理论计算研究气相金属配合物团簇对二氧化碳的吸附和转化。通过实验和理论方法系统性研究气相金属配合物团簇与CO2的反应，给出团簇与CO2反应的动力学和热力学信息，了解团簇结构，团簇尺寸，配体效应, CO2吸附状态对CO2活化反应的影响。本项目从分子水平上给出了CO2活化反应的微观机理，通过这些机理有望揭示金属配合物对CO2活性的一般性规律。

CO2的化学转化具有十分重要的意义，本项目利用实验方法结合理论计算研究了一系列气相金属配合物离子与CO2的反应。.为了研究二氧化碳与气相金属配合物的反应，通过本项目的支持，我们开发了一种新型的激光溅射-离子阱质谱仪并建立了一种操作方法。该设备通过激光溅射离子源产生各种金属配合物，通过四极杆选择单一质量的离子，之后在离子阱中与二氧化碳反应，并通过离子阱质量分析器进行质量分析。本装置还可以对反应产物进行质量选择，并研究与其他气体的反应。该装置是对现有常见的用于团簇研究的质谱仪的发展，并且据我们所知，目前世界上未有用类似离子源结合离子阱的装置开展相关研究。.应用本装置结合实验室已有的红外光解离光谱装置。我们研究了一系列金属配合物和二氧化碳的反应。我们研究了NbO+，NbO(N2)4-5+和CO2的反应，我们发现了NbO+可以活化CO2的C-O键，而NbO(N2)4-5+只与CO2发生CO2/N2交换反应。这表明弱配位的N2对NbO+与CO2反应活性和反应路径有影响。另外还研究了一系列金属配合物和CO2的反应，发现中心金属的种类，配位数影响反应活性。.应用我们设计的新型质谱仪，我们还研究了一系列金属卡宾化合物和乙烯的反应，对比了金属卡宾，金属卡拜和乙烯反应的异同。另外还研究了金属碳化物与甲烷的反应，发现了甲烷四个C-H键活化现象。