物化简介及催化前沿

1、高等物理化学 1425量子化学结构化学催化科学3化学反应动力学胶体与界面化学869710电化学光化学与光物理化学热力学高能化学计算化学物理化学所包含的三级学科从单分子、分子聚集体到凝聚态体系从分子间弱相互作用到化学键形成 借助现代物理化学手段和理论方法， 获取基态到激发态、稳态到瞬态的 分子结构以及动态变化的信息 物理化学研究对象物理化学与其他学科交叉日益密切物理化学环境科学信息物理学材料生命数学能源物理化学研究方法的特点宏观、微观研究相结合体相与表/界面研究相结合 静态与动态相结合，并进一步深入到 化学反应控制的研究 理论与实验的结合 基金委鼓励研究领域 界面科学的基础研究及其在材料与生命科

2、学中的应用研究理论化学新方法及其在生命、材料、环境和信息等领域中的应用基础研究；新催化材料、新催化反应、催化反应机理及原位动态表征技术及其在能源、资源与环境领域的应用研究；电化学反应调控及有重要应用前景的基础研究；光、电、磁等功能材料合成过程的调控策略以及在液相、固相中基本物理化学过程的研究；化学信息学研究中的新思路和新方法；生命体系中的物理化学问题；纳米组装、纳米结构、纳米器件等纳米体系中的基本物理化学问题。 催化是物理化学中最活跃的前沿之一 催化化学是化学基础研究最主要的领域之一，它直接涉及化学反应中化学键的断裂与形成的机理。 催化被公认为是化学工业的基石，是制造织物、食品、燃料、药物的关

3、键科学和技术。据统计，当今化学品生产的60和化工过程的90是基于催化作用的化学合成过程。在发达国家，GDP的20-30是催化通过其过程和产品直接和间接贡献的。 催化是保护环境的核心乃至源头性的科学和技术，从而具有重大的社会效益。 催化学科领域的发展趋势和目标1. 新催化材料和新催化过程烷烃活化：探索C-H键可控活化的影响因素，开拓甲烷选择转化为较高相对分子质量产物的新途径，发现和发展低碳烷烃同系化的新型催化剂；选择氧化：氧化物表面不同氧物种的表征及其在烷烃活化和转化中的作用，活化O2的新方法，烷烃选择氧化和氧化脱氢的选择性控制因素，烯烃和芳烃的选择氧化，烷烃、烯烃、芳烃选择氧化新催化剂的研发；

4、固体酸催化剂上的烷基化：具有低温、持久活性的固体酸催化剂的研发，影响其酸中心密度和强度因素的探明；CO/H2与底物直接催化合成含氧化合物，副产物、废物生成和能源消耗最小化；催化学科领域的发展趋势和目标1. 新催化材料和新催化过程（续）高选择性催化合成，包括立体和区域选择催化合成；替代和可再生资源：以烷烃部分替代烯烃用于石油化工，混合聚合物的催化解聚，CO2/CO选择合成化学品，纤维素和碳水化合物转化为化学品；聚合反应：控制聚合物结构和组成的方法，发展多相单中心催化剂和在烯烃聚合中引入种种官能团的催化剂；催化剂的高通量合成和评价催化学科领域的发展趋势和目标2. 原位、动态表征催化剂和催化反应机理

5、的新方法发展在真实反应条件下用于催化剂表面化学分析的具原子分辨率的原位表征技术；发展在反应条件下对催化剂结构和吸附质结构及其变化的快速表征技术；发展可指导和加速催化剂开发的预测技术。 催化学科领域的发展趋势和目标3. 新理论方法发展可处理较多原子（如1001000个原子）的有效量子化学方法；发展预测催化剂表面基元反应速率系数的精确方法；发展描述在多孔催化剂上反应和扩散的有效预测技术和计算规则；通过与工业操作条件下实验数据的比较，证实理论计算结果；发展对新催化材料的性能和新反应的结果进行成功预测的理论计算方法。 我国物理化学在国际上已有一定影响催化化学：李灿院士催化材料、催化反应和催化的光谱表征

6、 在13th国际催化大会（2004年7月）上获国际催化奖(International Catalysis Award）当选国际催化协会理事会副主席。2008年已自动升任主席。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 纳米及界面催化：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 催化反应化学：申文杰 研究员 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. 我国物理化学在国际上已有一定影响理论化学：姜元生院士共轭分子和碳