基于密度泛函理论计算和进化算法的多相催化材料结构与活性研究

The relationship between the surface structures and catalytic activities of heterogeneous catalysts has attracted intensive interests in the research of heterogeneous catalysis. In the last decade, theoretical simulation has made great contribution to the study of the structure-activity relationship, and on the basis of surface structure modeling and calculations of elementary reaction steps, it can reveal the active structures of catalysts and corresponding catalytic mechanisms. However, current simulation approaches based on quantum chemical calculations usually treat the surfaces as ordered facets of single crystal metals or metal oxides, which may not reflect the actually surface conditions of nano-composite materials used in real applications. In this project, we will develop novel calculation schemes for surface structure screening and optimization by combining density functional theory calculations and evolutionary algorithm. The new schemes will also be applied in the study of structure changes of heterogeneous catalysts, their interaction with reaction intermediates and environment species, as well as reaction mechanisms. These studies can help figure out the effect of various factors on the surface structures and provide more accurate explanation for structure-activity relationship. This project will take prototype reactions in environment protection and new energy production as model reactions. The results will be able to build the structure-activity relationship that can cover their mechanisms and provide valuable information for the design and preparation of new catalysts. Moreover, we will also extensively improve the algorithm and the code, for better performance in calculating surface-related problems in catalysis.

多相催化材料结构与其催化活性的关系是多相催化研究的核心。近年来，理论计算模拟为多相催化材料构效关系的研究提供了巨大帮助，能够基于表面结构的精确构建和反应基元步骤的系统计算，来揭示相关表面活性结构及催化反应机理。然而，传统量化计算常基于规整晶面的构造和优化，无法准确处理实际纳米复合催化材料表面结构的搜索与优化，为研究相应催化机理带来困难。本项目将基于进化算法发展表面结构搜索和优化策略，并进一步将其应用于研究表面结构在实际工况条件下的演化、与反应物种及环境物种的相互作用、以及反应过程机理，在弄清楚环境因素对于表面结构影响的同时获得更为准确的多相催化构效关系理论。本项目以环境保护、新能源生产等重要领域中的代表性反应为对象，在解释实际催化机理和构建新颖多相催化构效关系的同时，为具有更优异催化性能材料的设计和制备提供参考，并大幅改进现有算法和程序，获得能够高效、有针对性研究表面催化问题的软件工具。

近年来，理论计算模拟通过表面结构的精确构建和反应基元步骤的系统计算，能够揭示相关表面活性结构及催化反应机理，为多相催化材料构效关系的研究提供了巨大帮助。然而，传统量化计算常基于规整晶面的构造和优化，无法准确处理实际纳米催化材料复杂表面结构的搜索与优化，为研究相应催化材料和机理带来困难。本项目基于进化算法发展表面结构搜索和优化策略，并进一步将其应用于研究表面结构在实际工况条件下的演化、与反应物种及环境物种的相互作用、以及反应过程机理，在弄清楚环境因素对于表面结构影响的同时获得更为准确的多相催化构效关系理论。项目执行过程中，严格按照预定研究方案和计划，重点改进了进化算法程序USPEX，使之处理表面计算模拟更为准确和稳定。同时，以环境保护、新能源生产等重要领域中的代表性金属和金属氧化物，以及相关复合催化材料为对象，系统研究了其体相、表面等复杂结构，并深入研究了吸附、反应等过程对于表面结构的影响。通过本项目研究，揭示了金催化材料表面活性来源，以及复杂孪晶纳米金材料的结构和催化特性，获得了二氧化钛表面多组分单层材料的原子结构，并通过进化算法捕捉到的大量结构构建了表面重构、吸附诱导重构等多相催化动态过程的完整路径。本项目工作注重理论方法创新，并兼顾与实验应用紧密结合，在解释实际催化机理和构建新颖多相催化构效关系的同时，为具有更优异催化性能材料的设计和制备提供参考。更为重要的是，项目工作大幅改进了现有算法和程序，为今后开展相关研究提供了更加高效、有针对性解决表面催化问题的软件工具。项目执行期间，基于研究成果共发表标注项目资助的SCI收录论文20篇，授权相关计算方法发明专利1项，培养毕业博士研究生5人，硕士研究生9人，高质量的完成了原定研究计划并达到预计研究目标。