基于少金属原子团簇-二维共轭微孔高分子柔性材料的设计与C2电催化产物生成机理研究

Due to the energy crisis and pollution issues, scientists are trying to find the approaches of carbon fixation and nitrogen fixation with high catalytic performance and low cost. Therefore, searching for suitable photo/electric catalyst is the main scientific problem in energy and catalysis area. Herein, we propose a new organic-inorganic system, with few metal atom-2D conjugated microporous polymer for photo/electrical catalyst. The research contents include(1) Designing few metal atom-2D conjugated microporous polymer framework for catalysis, considering the change from few metal atom to metal clusters, and ultimately metal bulk materials, and incorporating metal atom to 2D CMP with flexibility. (2) Computing the reaction pathway of designed system especially the C2 product, and studying the activity and selectivity control. (3) Studying the correlation between the number of metal atoms, the properties of polymers, the pore diameter and the catalytic activity and selectivity, and extracting a general descriptor to describe the catalytic performance. Collaborating with experimentalists to confirm the proposed systems and catalytic performance. The proposed system combines advantages of both heterogeneous catalysis and homogeneous catalysis, lowers the cost if compared with inorganic catalyst. We hope the proposed new materials could have good catalytic efficiency, activity and selectivity at the same time.

随着石油能源枯竭以及环境污染的问题，目前科学家们致力于寻找廉价，高效的催化剂促使固碳及固氮反应的发生。因此，寻找合适的光/电催化剂是目前能源催化领域的核心科学问题。本申请提出了一种新型有机-无机复合体系，着眼于不同数目的金属原子团簇-二维共轭微孔高分子材料结构-性能的分析从而设计新的光/电催化材料的创新思路。研究内容包括（1）设计少金属原子-二维共轭微孔高分子骨架结构催化体系，考虑了从少金属原子到金属团簇以及块体材料的演变过程，并将金属原子纳入具有柔性的二维共轭微孔高分子体系中。（2）C2产物的活性以及选择性控制研究。（3）研究分散金属原子数目，以及高分子配体性质，孔径等参数与催化活性，选择性之间的关系，提炼出普适描述符，并与实验合作进行模型的验证。这种体系兼具异相催化的特色与均相催化的特色，与无机催化剂相比降低了成本，我们希望所设计的新材料可以同时达到良好的催化活性和选择性。

随着石油能源枯竭的问题，科学家们致力于寻找廉价高效的催化剂促使固碳及固氮反应的发生。因此，寻找合适的光/电催化剂是目前能源催化领域的核心科学问题。本项目设计了一系列少金属原子团簇嵌入二维共轭微孔高分子柔性材料中，形成了异相催化剂，通过高通量筛选不同团簇的活性与选择性，提炼出综合描述符快速预测团簇催化活性。探索了双核及三核团簇在二维氮化物、含氮碳材料或硼烯材料的环境中催化二氧化碳还原以及氮气还原的活性以及选择性，高通量筛选了多个同核以及异核体系，研究了性能最好体系的催化反应机理，尤其是生成多碳产物的碳碳偶联机制，并在高通量数据的基础上通过机器学习方法提炼了描述符快速预测催化反应性能。在二维有机框架中引入钠团簇，研究随着不同孔径的变化形成钠团簇，当钠团簇大小跟孔径一致时，新的钠离子会继续沉积在已有团簇表面，进而发生催化反应，实现了优越的钠氧电池性能，并在数据基础上利用机器学习提炼了描述符快速预测不同体系钠氧电池的性能。设计了含有铜团簇的三相合金，应用于二氧化碳还原反应的应用，通过理论计算证实了铜团簇助力生成多碳产物的重要性，铜团簇提供了碳碳偶联的活性位点。设计了不同比例的双金属团簇，从而实现了催化氢化反应不同产物的调控，通过理论计算发现了不同比例的双金属团簇由于对不同产物吸附能力的强弱，造成最终产物的不同，实现了不同比例下的高选择性不同产物的生成。将单原子金属引入硼化物中，形成一个新型团簇，高通量筛选出最佳体系，实现催化氮气还原反应，并利用高通量数据利用机器学习的方法提炼出描述符快速预测催化反应性能。本项目设计的团簇参与异相催化性能研究将对未来设计高活性低成本，在清洁能源领域、电池等领域都有重要的应用前景。本项目的工作既包括理论设计，也包括与实验合作的工作，将团簇设计理念与应用结合在了一起，为未来高性能催化剂或电池的设计提供了简单易行的预测方法，并通过实验证实了方案的可行性。