理论及实验探索单原子/二维材料复合体系及其催化降解VOCs机理

Volatile organic compounds (VOCs) are one type of the main air pollutants. Low-temperature catalytic oxidation for VOCs degradation is a challenge for air pollution control, and the key is developing high efficient and low-cost catalysts. Single-metal-atom catalytic systems have been demonstrated excellent catalytic activities in several chemical reactions. Due to the significant reduction of the usage of noble metals or using non-noble metals, the cost of this type of catalysts can be reduced significantly. This proposed project combines quantum chemistry calculations and experiments to investigate single-metal-atom/two-dimensional composite catalysts, and extend the catalysts to VOCs oxidational degradation for the first time. Theoretically, quantum chemistry calculations will be adopted for catalyst design, guide the experimental synthesis for catalysts, and explore the catalytic mechanism along with the experiment characterization and catalytic performance tests. Experimentally, two-dimensional materials with huge surface and plenty of active sites are used to load metal atoms, which can reduce the atom aggression, and further enhance the mono-atom catalysts efficiency. Success of this project will greatly reduce the developing time and cost of the catalysts, thus facilitating their wide-spread applications and deep understanding the related knowledge.

挥发性有机化合物（VOCs）是目前空气污染物的主要成分之一。低温氧化降解VOCs是控制大气污染的挑战课题，而开发高效率低成本催化剂是其关键。金属单原子催化体系在多个反应中都发现具有优异的催化活性，且由于贵金属元素的使用量大幅度降低或使用非贵金属元素，可以大幅度降低催化剂成本。本项目拟将理论计算预测和实验开发相结合探讨金属单原子/二维材料复合催化剂体系，并首次应用于VOCs催化氧化降解。理论上，利用理论化学计算进行催化剂设计，指导实验进行催化剂合成，并结合实验表征、性能测试，深度探索其催化机理；实验上，利用具有超高比表面积和大量孔洞结构的二维材料来负载金属原子，阻止原子团聚，进一步提高单原子催化体系的催化效率。通过本项目的研究可以缩短高性能VOCs氧化降解催化剂的开发时间、节约开发成本，从而促进其广泛应用，并深入透彻理解相关科学问题。

本项目主要采用理论化学计算和实验结合的方法开发用以降解挥发性有机化合物（VOCs）的高效率低成本低温催化氧化催化剂和探索催化机理，主要关注金属单原子/二维材料复合催化体系。通过本项目，利用理论化学计算和实验相结合设计了多种金属单原子/二维材料复合体系用于VOCs的降解，如Al单原子/多孔石墨烯、Pt单原子/石墨烯、Al单原子/C2N、Ti单原子/MXene、V单原子/MXene、Fe单原子/MoS2，研究了复合体系的结构稳定性，对比了各种性质和单一组元的相关性质，从气体吸附性能、多种气体的竞争吸附、氧化过程等方面研究了VOCs的吸附、催化氧化过程及机理。本项目的实施圆满完成了预定的研究目标，提出了多个相关的催化剂体系并深入理解了相关的催化机理，并深入理解了相关的催化机理，相关的研究结果发表SCI论文54篇，其中大于影响因子大于10的高水平论文23篇，另申请专利7件，授权3件。另外在项目执行过程中，培养了博士后2名、博士生1名、硕士生14名（其中就读本校博士2名、美国博士1名、国内985大学博士3名）。