分散型后过渡双金属催化剂表面形貌和反应活性的理论研究

Bimetallic material is a kind of important industrial catalyst that possesses unique catalytic reaction performance. In this project, using the first principles molecular dynamic method combined with quantum mechanic calculation, the surface composition, surface morphology, electronic structure and chemical reaction activity of the dispersed bimetallic system that is composed of later transition metal elements are investigated systematically. Through examining the compositions and energy levels of the d orbital of the surface active states, as well as the influences of the component of the surface metal atom, surface configuration, and the coverage of the deposited metal atom on the surface reactivity, we will explore and find some structure-activity relationships of this kind of catalyst. Our results will provide the reliable foundations and design ideas for the industry to develop new bimetallic catalysts.

双金属材料是一类重要的工业催化剂，它具有单金属催化剂所没有的独特的催化反应性能。本项目采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的方法，对由后过渡金属元素组成的分散型双金属体系的表面组成、表面形貌、电子结构及其化学反应活性进行系统研究，通过考察双金属固体表面反应活性态的d轨道组成和能级位置分布情况，并结合表面金属原子组成、构型以及所负载金属原子覆盖度等因素对表面反应活性的影响，探索和总结出影响该类催化剂构效关系的若干规律，为工业上研制新型双金属催化剂提供可靠的理论依据和设计思路。

本课题按照原定计划采用理论模拟方法对实验上研究较多的后过渡双金属（Ni、Pd、Pt、Rh）表面体系进行研究，其中所涉及的双金属表面主要为Ni/Pd(111)、Ni/Pt(111)、Ni/Rh(111)、TM/Cu(TM = Fe, Co, Ni)等。通过采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的组合方法，我们获得了负载的金属单层与载体金属表面之间的结合方式，研究负载前后表面形貌和组成的改变情况，重点探讨了双金属催化剂活性中心的各种物理和化学性质，其中包括负载金属原子的类型、覆盖度和载体金属表层原子的排列方式的影响等。在此基础上，考察一些小分子在上述双金属表面上的吸附和活化机理，其中包括H2S，CO2以及C2H2，HCHO等小分子。通过考察吸附分子与双金属表面两类金属相互作用的强弱，研究吸附前后表面形貌和组成的变化情况，并结合探讨表面反应活性态组成、能级位置与表面形貌的内在关系，解释不同实验制备条件下双金属催化剂表面活性的差异。本课题的研究成果对于在原子层次上把握影响后过渡双金属模型催化剂构效关系的微观机理，深入了解该类催化剂催化活性与组成和结构的敏感性，以及指导工业上设计和合成新型多相催化剂均具有重要的科学意义和应用前景。