物化簡介及催化前沿

1、高等物理化學(xué) 1425量子化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)催化科學(xué)3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)膠體與界面化學(xué)869710電化學(xué)光化學(xué)與光物理化學(xué)熱力學(xué)高能化學(xué)計算化學(xué)物理化學(xué)所包含的三級學(xué)科從單分子、分子聚集體到凝聚態(tài)體系從分子間弱相互作用到化學(xué)鍵形成 借助現(xiàn)代物理化學(xué)手段和理論方法， 獲取基態(tài)到激發(fā)態(tài)、穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的 分子結(jié)構(gòu)以及動態(tài)變化的信息 物理化學(xué)研究對象物理化學(xué)與其他學(xué)科交叉日益密切物理化學(xué)環(huán)境科學(xué)信息物理學(xué)材料生命數(shù)學(xué)能源物理化學(xué)研究方法的特點宏觀、微觀研究相結(jié)合體相與表/界面研究相結(jié)合 靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合，并進一步深入到 化學(xué)反應(yīng)控制的研究 理論與實驗的結(jié)合 基金委鼓勵研究領(lǐng)域 界面科學(xué)的基礎(chǔ)研究及其在材料與生命科

2、學(xué)中的應(yīng)用研究理論化學(xué)新方法及其在生命、材料、環(huán)境和信息等領(lǐng)域中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；新催化材料、新催化反應(yīng)、催化反應(yīng)機理及原位動態(tài)表征技術(shù)及其在能源、資源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究；電化學(xué)反應(yīng)調(diào)控及有重要應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究；光、電、磁等功能材料合成過程的調(diào)控策略以及在液相、固相中基本物理化學(xué)過程的研究；化學(xué)信息學(xué)研究中的新思路和新方法；生命體系中的物理化學(xué)問題；納米組裝、納米結(jié)構(gòu)、納米器件等納米體系中的基本物理化學(xué)問題。 催化是物理化學(xué)中最活躍的前沿之一 催化化學(xué)是化學(xué)基礎(chǔ)研究最主要的領(lǐng)域之一，它直接涉及化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂與形成的機理。 催化被公認(rèn)為是化學(xué)工業(yè)的基石，是制造織物、食品、燃料、藥物的關(guān)

3、鍵科學(xué)和技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)今化學(xué)品生產(chǎn)的60和化工過程的90是基于催化作用的化學(xué)合成過程。在發(fā)達國家，GDP的20-30是催化通過其過程和產(chǎn)品直接和間接貢獻的。 催化是保護環(huán)境的核心乃至源頭性的科學(xué)和技術(shù)，從而具有重大的社會效益。 催化學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和目標(biāo)1. 新催化材料和新催化過程烷烴活化：探索C-H鍵可控活化的影響因素，開拓甲烷選擇轉(zhuǎn)化為較高相對分子質(zhì)量產(chǎn)物的新途徑，發(fā)現(xiàn)和發(fā)展低碳烷烴同系化的新型催化劑；選擇氧化：氧化物表面不同氧物種的表征及其在烷烴活化和轉(zhuǎn)化中的作用，活化O2的新方法，烷烴選擇氧化和氧化脫氫的選擇性控制因素，烯烴和芳烴的選擇氧化，烷烴、烯烴、芳烴選擇氧化新催化劑的研發(fā)；

4、固體酸催化劑上的烷基化：具有低溫、持久活性的固體酸催化劑的研發(fā)，影響其酸中心密度和強度因素的探明；CO/H2與底物直接催化合成含氧化合物，副產(chǎn)物、廢物生成和能源消耗最小化；催化學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和目標(biāo)1. 新催化材料和新催化過程（續(xù)）高選擇性催化合成，包括立體和區(qū)域選擇催化合成；替代和可再生資源：以烷烴部分替代烯烴用于石油化工，混合聚合物的催化解聚，CO2/CO選擇合成化學(xué)品，纖維素和碳水化合物轉(zhuǎn)化為化學(xué)品；聚合反應(yīng)：控制聚合物結(jié)構(gòu)和組成的方法，發(fā)展多相單中心催化劑和在烯烴聚合中引入種種官能團的催化劑；催化劑的高通量合成和評價催化學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和目標(biāo)2. 原位、動態(tài)表征催化劑和催化反應(yīng)機理

5、的新方法發(fā)展在真實反應(yīng)條件下用于催化劑表面化學(xué)分析的具原子分辨率的原位表征技術(shù)；發(fā)展在反應(yīng)條件下對催化劑結(jié)構(gòu)和吸附質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化的快速表征技術(shù)；發(fā)展可指導(dǎo)和加速催化劑開發(fā)的預(yù)測技術(shù)。 催化學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和目標(biāo)3. 新理論方法發(fā)展可處理較多原子（如1001000個原子）的有效量子化學(xué)方法；發(fā)展預(yù)測催化劑表面基元反應(yīng)速率系數(shù)的精確方法；發(fā)展描述在多孔催化劑上反應(yīng)和擴散的有效預(yù)測技術(shù)和計算規(guī)則；通過與工業(yè)操作條件下實驗數(shù)據(jù)的比較，證實理論計算結(jié)果；發(fā)展對新催化材料的性能和新反應(yīng)的結(jié)果進行成功預(yù)測的理論計算方法。 我國物理化學(xué)在國際上已有一定影響催化化學(xué)：李燦院士催化材料、催化反應(yīng)和催化的光譜表征

6、 在13th國際催化大會（2004年7月）上獲國際催化獎(International Catalysis Award）當(dāng)選國際催化協(xié)會理事會副主席。2008年已自動升任主席。Prof. Can Lis group, DICP, ACSAccounts of Chemical Research, 2009, 43, 378Heterogeneous chiral catalystXiang et al, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 821CatalystTi / substrateConversion (%)TONee %TIP / DET5%7615837

7、a2%2914867b2%2211847a5%4912787b5%431080Table 1. Asymmetric epoxidation of allyl alcoholChiral catalysts encapsulated in nanocagesSBA-16CatalystAdsorption Trapping chiral catalysts in nanocages of SBA-16“Homogeneous” in “heterogeneous”Reduce the pore entrance size Trapping chiral catalysts in nanocag

8、es of SBA-16Product“Homogeneous” in “Heterogeneous” Catalytic reactions in nanoreactorReactant Asymmetric reactions on chiral catalysts confined in nanocagesScience, 2010, 328, 1141 納米及界面催化：包信和 院士 Abstract:Coordinatively unsaturated ferrous (CUF) sites confined in nanosized matrices are active cente

9、rs in a wide range of enzyme and homogeneous catalytic reactions. Preparation of the analogous active sites atsupported catalysts is of great importance in heterogeneous catalysis but remains a challenge. On the basis of surface science measurements and density functional calculations, we show that

10、the interface confinement effect can be used to stabilize the CUF sites by taking advantage of strong adhesion between ferrous oxides and metal substrates. The interface-confined CUF sites together with the metal supports are active for dioxygen activation, producing reactive dissociated oxygen atom

11、s. We show that the structural ensemble was highly efficient for carbon monoxide oxidation at low temperature under typical operating conditions of a proton-exchange membrane fuel cell.Prof. XH Baos group, DICP, ACSNature, 2009, 458, 746 催化反應(yīng)化學(xué)：申文杰 研究員 Abstract:Low-temperature oxidation of CO, perha

12、ps the most extensively studied reaction in the history of heterogeneous catalysis, is becoming increasingly important in the context of cleaning air and lowering automotive emissions. Hopcalite catalysts (mixtures of manganese and copper oxides) were originally developed for purifying air in submar

13、ines, but they are not especially active at ambient temperatures and are also deactivated by the presence of moisture. Noble metal catalysts, on the other hand, are water tolerant but usually require temperatures above 100oC for efficient operation. Gold exhibits high activity at low temperatures an

14、d superior stability under moisture, but only when deposited in nanoparticulate form on base transition-metal oxides. The development of active and stable catalysts without noble metals for low-temperature CO oxidation under an ambient atmosphere remains a significant challenge. Here we report that

15、tricobalt tetraoxide nanorods not only catalyse CO oxidation at temperatures as low as 77oC but also remain stable in a moist stream of normal feed gas. High-resolution transmission electron microscopy demonstrates that the Co3O4 nanorods predominantly expose their 110 planes, favouring the presence

16、 of active Co3+ species at the surface. Kinetic analyses reveal that the turnover frequency associated with individual Co3+ sites on the nanorods is similar to that of the conventional nanoparticles of this material, indicating that the significantly higher reaction rate that we have obtained with a nanorod morphology is probably due to the surface richness of active Co3+ sites. These results show the importance of morphology control in the preparation of base transitionmetal oxides as highly efficient oxidation catalysts. 我國物理化學(xué)在國際上已有一定影響理論化學(xué)：姜元生院士共軛分子和碳