稀土二氧化铈三效催化材料作用机理的密度泛函理论研究

汽车尾气净化是当前全球大气环境保护的核心问题。作为一种性能优异、应用潜力巨大的汽车尾气净化催化材料，以稀土二氧化铈作为载体的三效催化材料有着非常独特的性能。本课题采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究二氧化铈负载金属纳米颗粒催化体系对三效催化中具有代表性的CO与NO反应的催化活性，重点考察稀土元素铈特有的高度局域4f轨道对于体系形貌、电子结构、反应中各物种与表面的相互作用等物化性质的影响，并通过系统研究反应中可能的基元步骤来获得对该反应机理的认识。本课题对于深入理解含稀土的汽车尾气净化三效催化剂的作用本质，以及设计、制备和使用新型催化材料有一定指导意义。

本自然基金面上项目于2010年立项，执行期为2011-2013年，共三年。在这三年时间内，项目严格按照申请书及计划书中所列研究内容、年度计划以及经费使用预算执行，围绕稀土二氧化铈材料作为废气净化三效催化材料的催化活性机理，采用先进的在位库仑力修正的密度泛函理论计算，开展了大量系统深入的研究工作。项目以三效催化中有代表性的CO、NO消除反应为对象，以二氧化铈及负载纳米金属颗粒体系为催化剂模型，重点考察了稀土元素铈特有的高度局域 4f 轨道对于体系形貌、电子结构、反应中各物种与表面的相互作用等物化性质的影响，归纳总结了稀土催化的特点及规律，创新性的提出了稀土元素能够以“化学杠杆”的方式，通过整个电子得失将表面微小的结构形变影响放大为化学反应的完全发生，为深入理解稀土元素的特殊催化性能提供了新颖的理论观点。同时，项目把握国际多相催化研究热点，也开展了有关其他金属氧化物表面构效关系、实际制备条件下纳米材料形貌调控以及表面自组装和气体检测方面的理论计算模拟。基于项目研究工作，在执行期内共发表标注本项目资助的SCI论文15篇（影响因子大于3的11篇），包括J. Am. Chem. Soc.及Phys. Rev. Lett.论文各1篇，英文专著（章节）1部，培养硕士研究生3名，参加了第十五届国际催化大会（德国）、美国化学会年会以及第六届亚太催化大会（台北）等多个国际高水平学术会议并作口头报告，接待了美国、欧洲多位本领域知名教授来校访问、学术交流，并通过联合培养研究生及项目课题合作等形式全面扩展了与国内外同行的学术合作，高质量的完成了预定的考核指标。本项目顺利完成计划研究内容、实现计划目标，并使得所在课题组稀土理论研究计算水平及团队建设获得极大增强。