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【学术视频】中国化学会第四届中国能源材料化学研讨会 | 大连化物所肖建平研究员

原创 KouShare 蔻享学术 2021-04-25

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图 | 肖建平

题目：Toward understanding catalysis with reaction phase diagrams

报告人：肖建平

单位：中国科学院大连化学物理研究所

时间：2019-05-27

地点：中国科学院大连化学物理研究所

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报告摘要

随着社会的快速发展，能源的可再生利用以及清洁能源的更广泛使用已经成为了当下亟待解决的关键问题。量子化学计算方法的发展为研究能源催化问题提供了一条更为高效的途径。通过求解薛定谔方程，得到电子结构的能量，首先可以从原子尺度去解释一系列实验观测到的现象。同时，将得到的电子结构能量结合理论的催化模型，就能进一步从微观的能量得到宏观的图像，由此研究催化反应的活性、选择性、稳定性等，甚至进一步设计催化剂。因此，建立一个通过量子化学计算研究催化的基本策略，以此对特定催化反应（例如氧还原，氯化氢氧化，二氧化碳电催化还原以及甲醇制乙烯等等）的性质建立一个宏观的图像，并根据这些合理设计催化剂就成为了理论催化研究的重点。针对一个特定的催化反应，在考虑不同的中间态和相对完整的基元反应时，其反应网络是十分复杂的。而从这些复杂的反应网络中提取有效的信息，得到比较简单和清晰的图像来分析催化反应的性质，研究一系列催化剂表面的催化活性趋势和催化机理就显得尤为重要。传统的基于反应速率的火山型曲线就是通过提取某一描述符（一般为关键吸附物的吸附能）代表不同的催化剂，通过微观动力学模拟计算出反应活性趋势后，建立反应速率和描述符之间的相互关联。该方法虽然可以提供催化活性的变化趋势，但缺失了对催化机理的描述，且需要大量的计算资源支撑，获得所需要的数据。因此，我们建立了一种基于“反应相图”的研究方法，将所有的基元反应的能量解析的放在同一个相图中，再根据数学算法确定最优的反应路径和决速步骤。由此，我们可以根据不同的反应机理来区分不同的反应相，根据决速步骤的能量的变化趋势来分析催化活性趋势，即同时研究催化反应活性和反应机理。基于“反应相图”的研究策略，我们首先考察了氯化氢催化氧化在一系列尖晶石表面的反应性质。根据催化模型和数学建模，我们将该反应的反应机理分为了氯气的形成和氧还原两个部分，并一共搜索出了27种不同的反应路径。根据进一步的优化筛选，我们最终在一个特定的反应相中，根据吸附的强弱确定了4种最优的反应机理，并由此研究了该反应在21种不同尖晶石表面的催化机理和活性趋势。同时，我们预测的活性趋势还得到了实验结果的证实。同样的研究策略也被用于氧还原（ORR）反应的研究，由于催化剂种类的不同，我们能从新的构效关系中得到不一样的反应活性趋势。其中，对于反应能垒的进一步考虑也使得“反应相图”的预测更为准确。而二维“反应相图”提出则是对催化剂合理设计的进一步指导，即通过突破传统构效关系的极限来进一步提高催化反应的活性。在对甲醇制乙烯（MTO）反应的研究中，基于“反应相图”的研究策略也被很好的利用，通过该方法的研究，我们对其中碳-碳键的形成得到了更深层次的理解。根据这些理解也能更好的帮助我们设计MTO需要的分子筛催化剂。总的来说，基于“反应相图”的理论催化研究新策略可以更加高效且准确的同时研究催化反应的反应机理和预测催化反应活性趋势，可以将复杂的催化反应网络简单化，并用一个清晰的相图表达出来。由此，可以根据能源领域的实际需求，更加合理且有目的性的筛选和设计新型催化材料。

个人简介

肖建平，博士，研究员。2009年受资于国家基金委公派前往德国不莱梅大学读博。2013年回国在中国科学院大连化学物理研究所开展博士后研究工作。2015年前往美国斯坦福大学从事博士后工作。2017年在西湖大学任研究员，2019年进入中国科学院大连化学物理研究任研究员，理论催化创新研究组组长，被评为“张大煜青年学者”。先后在理论物理、电催化、限域催化和理论催化方法开发等方面开展工作，目前已在国际重要学术期刊发表论文50余篇。近期主要从事基于“反应相图”的理论研究新范式方法开发研究工作。

会议简介

中国化学会第四届中国能源材料化学研讨会于2019年5月25日~27日在中国科学院大连化学物理研究所召开。此次会议由中国化学会主办，中国科学院大连化学物理研究所承办。会议主要围绕“能源化学与材料化学”这一主题开展，内容主要包括：1、能源储存：储能电池和动力电池研究；2、能源催化：热催化和电催化研究, 催化表征与模拟；3、太阳能：太阳能转化材料与化学。