高活性负载型金属氧化物薄膜催化剂的设计及催化性能的理论研究

Supported metal oxide film catalysts have drawn considerable interests due to their high catalytic activity and selectivity in contrast to metal oxide single crystals. However, the study of this catalysts is relatively rare as the structures and the properties of metal oxide film are very complexity. In this project, based on the molecular dynamic (MD) simulations and quantum mechanics calculations, we present a detailed study on the configurations, electronic structures and catalytic properties of clusters (Au cluster, WO3 cluster) deposition on the metal oxide film with different type(MgO、CaO、TiO2、CeO2), thinknesses and doped atom(Li、Al、Cr、Mo、W), combined with theoretical simulation of characterization of the solid surface, The effects of the structure (the style and thicknesses of thin films, doped films) on the structural properties and catalytic performance of the supported catalysts, and the molecular adsorption and activation process will be systematically explored. Our theoretical works can provide deep insight into the structure-reactivity relationships of the supported oxide film catalysts, and may offer the reliably theoretical guidance for the design and development of high activity supported catalysts.

负载型金属氧化物薄膜催化剂具有与单晶表面显著不同的高活性和高选择性，使得其在催化领域具有相当可观的应用前景。但是由于金属氧化物薄膜组成、结构和性质非常复杂，目前对该类催化剂的研究仍然不多。本项目采用基于密度泛函理论的分子动力学和量子力学相结合的方法，结合固体表面分析技术的理论模拟，系统研究团簇(如Au簇、WO3团簇)负载在不同类型(如MgO、CaO、TiO2、CeO2)、不同厚度和掺杂(如Li、Al、Cr、Mo、W)情况的金属氧化物薄膜上的构型、电子结构及催化性能。探究薄膜结构与组分修饰的变化，对该类催化剂活性中心形貌、与薄膜的相互作用、电荷转移等及其对CO、O2等小分子吸附和活化过程的影响。课题的开展有助于了解该类催化剂结构和催化性能之间的构效关系，为设计和研制高活性负载型金属氧化物薄膜催化剂提供可靠的理论指导。

负载型金属氧化物薄膜催化剂具有与单晶表面显著不同的物理化学性质，但由于其组成、结构和性质非常复杂，目前对该类催化体系的研究还很缺乏。本项目针对以上研究背景，按照原定计划，围绕着近年来多相催化研究中备受关注的负载型金属氧化物薄膜催化体系，从基于密度泛函理论的分子动力学和量子力学相结合的方法出发，并结合实验可观测量(含STM、HREELS、XPS)的理论模拟，深入系统地研究了MgO、CeO2等一系列负载型金属氧化物薄膜催化体系的表界面结构和稳定性。其中负载团簇主要考虑了为WO3、VxOy等同核或异核过渡金属氧化物，掺杂改性主要考虑了主族金属原子Li、Al和过渡金属Cr等，缺陷主要考虑了不同类型点缺陷，具体包括CrW2O9/MgO/Ag(001)、W3O9/(FS0缺陷)MgO/Ag(001)、W3O9/(Li、Al掺杂)MgO(001)、CrW2O9/(FS0、FS+、FS2+缺陷)MgO(001)和VxOy/CeO2(111)等催化体系。在此基础上，通过与相应负载型单晶表面对比研究，重点探讨了该类催化体系薄膜结构组成和催化性能之间的构效关系，其中包括薄膜类型、薄膜厚度、掺杂和缺陷组分变化，对该类金属氧化物薄膜催化剂活性中心形貌、与薄膜成键情况、电荷转移及其催化性能的影响。本课题的研究成果对于深入理解该类催化剂的构效关系，揭示其结构与催化性能的内在规律和调控的有效手段，以及开发设计新型高活性负载型金属氧化物薄膜膜催化剂具有重要的科学意义和应用前景。