可用于太阳-化学能转化的生物酶及仿生体系催化反应机理的理论研究

The employment of enzymes and bio-inspired catalysts in the conversion of solar energy into chemical fuels is a significant application and an important subject in renewable energy research. The investigations of their mechanisms are able to give deeper insights into enzymatic catalysis and will also promote the exploration of high-efficiency catalysts and the development of renewable power sources. In the present project, using density functional theory (DFT) and self-consistent charge density functional tight-binding method (SCC-DFTB), the quantum chemical modeling of enzymes and bio-inspired systems employed in the solar-fuel conversion will be performed and work as the inspiration for the design of high-efficiency catalysts. The researches include: (1) the development of new SCC-DFTB method and parameter systems suitable for the computation of the catalyst coagulation in surface; (2) theoretical modeling of reaction mechanisms of enzymes used in the solar-fuel conversion; (3) theoretical modeling of reaction mechanisms of bio-inspired catalysts employed in the solar-fuel conversion; (4) theoretical studies of the catalyst coagulation in solution and surface.

利用生物酶和仿生催化剂来催化太阳-化学能(化学燃料)的转化，是一种极具创造性的应用，也是可再生能源研究的一个重要方面。该类生物酶及仿生体系催化机理的研究，不仅能加深酶催化基本原理的理解，也能促进新型高效催化剂的设计开发，从而推动可再生能源的发展。 本项目利用量子力学密度泛函理论(DFT)和电荷自洽密度泛函-紧束缚方法(SCC-DFTB)，模拟可用于太阳-化学能转化的生物酶及仿生体系的催化反应过程，揭示催化机理，为新型高效催化剂的设计开发提供启示。具体内容有：(1)发展新的SCC-DFTB方法和参数系统，以适应仿生体系凝聚现象的计算；(2)一系列可用于太阳-化学能转化的生物酶催化反应过程的计算模拟；(3)一系列新型仿生催化剂催化过程的计算模拟；(4)仿生催化剂在溶液和晶体界面上的凝聚问题的理论研究。

利用生物酶和仿生催化剂来催化太阳-化学能(化学燃料)的转化，是可再生能源研究的一个重要方面。该类生物酶及仿生体系催化机理的研究，不仅能加深酶催化基本原理的理解，也能促进新型高效催化剂的设计开发，从而推动可再生能源的发展。在本项目中，我们利用量子化学密度泛函方法，模拟可用于太阳-化学能转化的生物酶及仿生体系的催化反应过程，发现其催化反应机理。部分结果概括如下：(1) 测试并完善了适合复杂大体系机理模拟的方法，发现将范德华作用引入机理模拟的两种计算方法的模型依赖性。(2) 发现了一系列生物酶的催化反应机理。比如，计算揭示了一氧化碳脱氢酶催化CO2与CO互相转化的反应机理，并获得转化能垒为7.6 kcal/mol。(3) 计算设计并合成一些非生物催化剂，获得了较好的催化性能，并揭示了相应的催化机理。比如设计合成了一类含Cu络合物，可以在室温下催化 1 bar空气中CO2 (约385 ppm) 的转化。(4) 获得了一些天线染料分子与界面相互作用机制和电子转移机理，为染料分子设计提供了理论线索。在本项目的资助下，共发表SCI收录论文20篇。