铜族与稀土二元金属氧化物团簇低温催化氧化一氧化碳的研究

一氧化碳的低温催化氧化过程在环境、能源、化工等领域都有十分重要的意义，其核心问题是选择和设计具有优良催化效果的催化剂体系。一些氧化物担载体系（如Au/CeO2）被发现具有很好的催化活性，但由于表面催化体系相当复杂，目前对其催化机理还存在很多争议。团簇研究具有很好的独立性（不受环境因素干扰）、可控性和可重复性。本项目使用团簇模型，采用量子化学计算与实验工作（如质谱）相结合的方法，系统研究铜族（金、银、铜）与稀土二元金属氧化物团簇低温催化氧化一氧化碳的微观反应机理，研究不同载体团簇（稀土氧化物团簇）及其尺寸、电子结构和氧化态，不同铜族金属及其尺寸和掺杂位点，载体团簇与铜族金属的相互作用，总的电荷状态和电荷转移情况等因素对催化效果的影响。本项目的研究结果，可以为设计性能优良的新型稀土催化剂提供理论基础，为我国的稀土战略添砖加瓦。

一氧化碳的低温催化氧化过程在环境、能源、化工等领域都有十分重要的意义，其核心问题是选择和设计具有优良催化效果的催化剂体系。本项目中，我们以氧化物团簇为模型体系，理论与实验相结合，研究了镧、铈等稀土元素和一般过渡金属元素（如钒族等）的氧化物团簇体系的结构及其与一氧化碳的反应，并与甲烷等其它小分子的反应过程进行了比较，在分子层次上得到了一系列重要催化反应的微观机理。主要研究成果包括：（1）我们自主编写了一套基于遗传算法的团簇构型搜索程序，可以自动调用外部的密度泛函程序，完成团簇构型的全局优化，初步解决了大尺寸团簇理论研究的一个难点问题；（2）使用全局优化程序，结合高分辨率质谱方法，我们研究了大尺寸氧化物团簇与一氧化碳和甲烷的反应，在国际上率先报道了纳米尺寸氧化物团簇上甲烷的氢原子抽取反应；（3）研究发现，在氧化物团簇中掺入金、银等铜族原子可以明显改变团簇的反应活性，特别地，金在催化反应中可以变换成键原子（与金属或者氧原子成键），改变自身的化合价，从而具有独特的电子存储和释放的能力，促进氧化还原反应的进行。这些研究成果为设计以铜族金属和氧化物为基础的性能优良的新型催化剂提供了重要的理论基础。