固液界面光催化反應的第一性原理理論模擬和預測

《固液界面光催化反應的第一性原理理論模擬和預測》是依託復旦大學，由劉智攀擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：固液界面光催化反應的第一性原理理論模擬和預測
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉智攀

項目摘要

固液界面光催化反應在新能源、環境、精細化學品合成中有廣泛套用，其中光催化水裂解產生氧氣有重要科研和實用價值。由於固液界面的光反應涉及固液表面結構、光作用機理、表面反應過程等重要科學難題，一直是科研的巨大挑戰。為了理清光催化的機理並促進新材料的設計和發展，本項目將通過結合密度泛函理論計算方法和周期性溶劑化模型來研究固液界面體系。通過理論計算固液界面的重要物化性質數據，和實驗數據對比，確定常見光催化固體表面的溶劑化參數；發展並最佳化受限軌道的密度泛函理論並行計算方法，達到能計算2 nm左右納米氧化物顆粒的能力；尋找納米顆粒的最優幾何構型，研究在常溫條件下，溶液性質對於晶體表面結構、形貌的影響；發展和最佳化過渡態搜尋程式，尋找水在氧化物完整晶面及納米顆粒表面的裂解氧化通道。通過對光催化過程中關鍵步驟的化學物理本質研究，理解光照條件、溶液、催化材料表面等對關鍵基元步驟的影響，最終指導光催化材料的設計。

結題摘要

固液界面光催化反應在新能源、環境、精細化學品合成中有廣泛套用,其中光催化水裂解產生氧氣有重要科研和實用價值。由於固液界面的光反應涉及固液表面結構、光作用機理、表面反應過程等重 要科學難題,一直是科研的巨大挑戰。為了理清光催化的機理並促進新材料的設計和發展,本項目發展理論計算新方法，結合密度泛函理論計算方法和周期性溶劑化模型來研究固液界面體系的催化化學反應。研究水平總體達到了國際水平。課題在理論計算方法方面的不斷開拓創新，在固液界面的光電催化模擬，自動化反應取樣等幾個特色研究方向處於國際領先地位。1.周期性溶劑化模型。依靠第一性原理 DFT 計算，建立並發展了參數化Modified-Poisson-Boltzmann連續介質模型 (DFT/CM-MPB方法)。利用DFT/CM-MPB和勢能面搜尋新方法對電化學和光化學體系反應機理，動力學行為進行了創新性計算模擬，以燃料電池有關的電催化反應為研究重點，考察了金屬表面上的氧氣還原反應，研究合金催化劑的性能，考察表面電壓對表面形貌、化學反應的影響。2.勢能面搜尋新方法。結合鍵長約束Broyden 方法及Dimer 方法，發展了一系列基於模糊振動模式的過渡態搜尋新方法（CBD，BP-CBD, DESW方法）和全局搜尋方法（SSW方法已經申請了軟體算法專利）。通過結合SSW方法與反應路徑過渡態搜尋方法，在固體相變，分子反應預測等具體套用體系中取得了突破進展。