金属单原子/幻数团簇催化过程的高分辨表征及机理研究

By rationally design the well-dispersed metal atoms and uniform, well-ordered “magic” clusters, we plan to precisely control the composition, morphology, structure and electronic states of these metallic catalysts and study the effects on the catalytic activation of C-O, C-H bond and coupling reaction of C-C bond; Meanwhile, employing high-resolution scanning tunneling microscopy/spectroscopy, we propose to in-situ characterize of the surface catalytic reactions from multiple aspects such as structure, orbitals, charge transfer and molecular vibrational spectrum. Further combining delicate first-principle calculation/simulation with a complexity approximating that of experiments, we.anticipate achieving the comprehensive understanding of the mechanism of catalytic reactions, therefore paving the way towards designing novel, high-efficient catalysts for carbon-based molecular energy transformation.

通过对过渡金属元素和载体材料的电子结构的研究，理性设计具有均匀及有序分散的金属单原子和幻数团簇，并探索不同元素和构型的金属单原子及幻数团簇催化剂对C-H、C-O键的活化以及C-C键的偶联反应的催化机制的影响；利用扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱从分子构型、分子轨道及电荷转移以及分子振动谱等方面对催化过程进行高分辨表征，结合精细的第一性原理理论计算和模拟，在分子尺度上揭示金属催化反应的微观机理，为设计新型、高效的碳基能源分子转化催化剂提供新的思路和途径。

在三年项目执行期间，本人领导的课题组在过渡金属纳米团簇催化和原位高分辨表征表面化学反应领域中取得了一系列重要成果和突破，主要研究内容成果及科学意义总结如下：1. 在Au(111)表面，用八硫醇的组装结构形成表面活性剂，成功的制备出单原子层厚度的形状规则有序的Au纳米薄层。该工作探索了单原子层贵金属催化剂的可控生长，为未来研究大小形状可控的催化剂的高效可控表面催化打下基础。2. 原位高分辨表征乙苯在金红石型TiO2(110)表面低温下催化C-H键活化反应。研究表明，相对乙苯中其它C-H键原子，β-CH键具有很高的选择性。首次在原子尺度上观察到吸附在金属氧化物表面的烷烃分子的C-H键断裂。这种C-H键活化反应、低温、高选择性和可控性的结合，将有利于应用在碳氢化合物转化的工业化过程中。3. 在Au（111）表面由C60分子和十八硫醇分子自组装共结晶构建二维范德瓦尔斯超分子结构。这种具有分子间电荷转移的范德瓦尔斯超分子骨架，为未来制备大范围规则有序分布金属纳米团簇提供了一个很好的模板。