异相纳米催化的实时、动态单分子光学超分辨成像研究

In order to reliably design and synthesize high performance heterogeneous catalyst, we need more completed and deeper understanding of the molecular mechanism of heterogeneous catalysis process, especially the correlation between catalytic activity and microstructure of the catalyst.For that goal, in this proposal, we are going to combine the time scale with the new-developed optical super-resolution imaging method to study the correlation between nanocatalyst performance and its physical properties, such as the distribution of active sites on single nanoparticle surface, and the catalytic activity of single active site.In this way we can get information about the relationship between the catalytic performance of single nanoparticle with its sruface micro-structures, the distribution or number of active sites. It will reveal how the activation or deactivation occurs in nanometer scale, or how the surface properties affect the performance of single nanocatalyst. This new information would be very helpful for us to understand the catalytic process and design new catalyst with high performance.

为了能更合理地设计和制备出高效催化剂，需要我们全面而深入地了解异(多).相催化剂分子水平的催化活性与微观结构间的动态相关性，到目前为止，国际上还没有出现相关报道。本项目就是要结合时间坐标上的动态因素与新近发展起来的单分子光学超分辨成像技术，从异相催化动力学的角度，通过实时观察模型催化剂Pt、Pd金属单纳米粒子表面催化活性位的形成与消失过程，研究单纳米粒子催化过程中表面活性位的动态分布特征及这种动态分布与单纳米粒子催化活性间的动态相关性、单纳米粒子表面单个活性位的催化活性与整个纳米粒子活性的相关性、及单个活性位上的催化反应机理等。对这些动态过程和催化机理的深入研究,将有助于人们认识纳米粒子表面催化诱导的原子重组及催化剂的活化或失活机理，并可有效地指导人们去延缓催化剂失活过程，或设计出能以最有效方式工作的纳米催化剂。

关于本短期面上项目，在过去的两年里， 第一，我们研究了单分子水平的单分子氧化还原反应动力学的研究。基于单分子的氧化还原反应和量子理论计算， 我们完成了液相中的基元反应单分子水平的动力学研究，利用单分子光学超分辨成像技术， 研究了单分子在纳米空腔内由于布朗运动导致的动态异相行为。这是世界上首个单分子水平上的液相中的基元反应动力学研究。该部分研究成果已发表到了Nature Communications （2014, 5, Article number: 4238, doi: 10.1038/ncomms5238）以及J. Phys. Chem. B, 2014, 118(34), pp 10224–10231。这个工作首次实现了量化计算与单分子反应相结合, 得出了一种全新的研究液相中单分子反应动力学的新方法,进一步拓展的单分子方法的新功能。第二：基于光学超分辨成像技术，我们完成了单个纳米粒子表面活性位的动态描述。 通过超分辨成像技术，我们首次发现单个纳米粒子表面的活性位的活性体现是分先后的，即单个纳米粒子表面，有的区域先表现出活性，有的后表现出活性，这种活性位的动态分布也是以前从来没有观测到的， 该部分工作整理成文章，目前正在审稿当中。第三：基于钯纳米立方块的单纳米粒子催化研究，我们首次解析得到了单纳米粒子表面边和面的不同活性贡献，结果首次揭示了边上的活性位具有比面上活性位更高的催化活性，而且意外的发现，在边上的活性位点形成的产物分子往往会先扩散吸附到侧面上，然后再从面上脱附掉，这些新信息的揭示有助于人们认识催化剂的根深入地催化本质，该工作目前已成文并于半年前投到Nature Communications，目前正在二审当中。在人才培养方面，在该项目支持下，已培养出博士研究生1名。