金属表面结构控制与分子反应调控的研究

Transition metals including noble ones possess wide applications in heterogeneous catalysis. Their surface local structures and properties virtually dictate their catalytic activity and selectivity, which is the main research focus in surface and catalysis. On metal single crystals and films, controlled preparations of surface structures play an important role in exploring the relationship between surface properties and surface probe reactions, and lay a solid foundation in achieving precise control of surface reactions. This project is making use of the ultrahigh spatial and energy resolutions of low temperature scanning probe microscopy to study the geometric and electronic properties of the substrate surfaces and adsorbed molecules, aiming at searching for the efficient ways to tune the surface activities of metals and surface molecular reactions at the atomic and molecular levels. The implementation of this project will be beneficial for our deep understanding of surface reactions and establish the scientific basis for the development of high-performance catalysis.

过渡金属包括贵金属在多相催化中广泛应用，其表面局域结构和性质往往决定了催化反应的转化率和选择性，是表面与催化领域的研究重点。以金属单晶和薄膜为基础，控制制备表面结构，研究表面性质与分子探针反应的构效关系，从表面结构的角度来实现表面分子反应的精确调控。本项目借助低温扫描探针显微技术的超高空间和能量分辨率，探测表面与分子的几何结构与电子性质，在原子和分子层次上系统研究金属表面活性和分子反应调控的有效途径。本项目的实施有利于深化人们对表面反应的认识，为高效催化体系的研究提供科学基础。

项目紧紧围绕着“金属表面结构控制与分子反应调控的研究”主题，从催化剂表面的角度和反应分子的角度对表面反应调控进行了深入系统的研究。从催化剂角度来说，项目提出了“表面自由能调控法”来制备负载型金属单原子和小原子簇的策略，并在诸多块体金属承载的超薄氧化物表面上成功制备了一系列相对热稳定的金属单原子或小原子簇模型催化剂，并探索了这些模型催化剂的催化行为。为了精细调控这些模型催化剂的结构与性能，在原子水平上研究了电子添加剂或助催剂的作用，探讨了碱金属元素的添加对过渡金属原子和原子簇的性能影响。此外，也通过表面上吸附组装有机功能分子，进而在金属表面发生金属化反应，形成一维金属有机链或二维金属有机网络，最终制备出可调控的低维金属原子阵列结构。从反应分子的角度来说，项目还提出了“分子自组装调控策略”来调控表面化学反应。在分子自组装方法学的基础上，通过控制反应分子的吸附与组装行为，成功实现了对表面反应位点、表面反应路径、表面反应区域选择性和非对称反应等方面的精确控制。项目执行期间，团队成员共发表46篇学术论文，包括Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Chem. Commun.和Chem. Soc. Rev.等；在国内外学术会议上做大会和邀请报告30次，主办学术会议6次。