化學化工學院計算化學創新學科團隊安煒教授指導研究生採用密度泛函理論(DFT)計算和微觀動力學(MK)模擬相結合的方法，近期在可持續化學和能源轉化中催化反應的理論研究中取得一系列重要進展，以我校為第一單位和第一通訊單位，在國際知名期刊上發表多篇高水平SCI研究論文，主要成果如下。
1. 二氧化碳電還原反應(CO2RR)
將溫室氣體二氧化碳(CO2)轉化為高附加值燃料和化學品，可以降低對石油路線生產燃料和化學品的依賴度，同時有助於緩解全球氣候變暖持續惡化的趨勢。作為催化活化CO2惰性化學鍵的有效途徑，電催化CO2還原反應和金屬單原子催化劑(SACs)是目前催化研究領域的國際前沿熱點。安煒教授課題組基於前期對M@C2N (M=金屬)石墨烯基SACs上CO2RR的探索性研究[Nanoscale, 10, 15262-15272(2018), 一區, IF= 6.97]，揭示了異金屬NiCo@C2N(UL=-0.25V) 雙原子活性位上CO2RR生成甲烷的催化性能，優於同金屬雙原子活性位Co2@C2N(UL=-0.30V)和Ni2@C2N(UL=-0.67V), 其內在因素是錨定的雙原子活性位內部的協同作用；同時還發現從雙原子活性位上共吸附反應中間物種出發，CO2RR可存在多個競爭反應通道。研究成果以“Synergy of a Metallic NiCo Dimer Anchored on a C2N–Graphene Matrix Promotes the Electrochemical CO2 Reduction Reaction”為題，發表在美國化學會主辦的ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 19113-19121，該期刊為綠色可持續發展科學和技術領域的國際知名期刊，中科院SCI期刊分區一區，IF=6.97。
此外，對雙金屬M@Cu(211)單原子臺階表面合金上CO2RR的研究發現，顯式溶劑化模型對評估表面-液體界面處Heyrovsky機制中的水溶劑輔助質子轉移至關重要，Ru@Cu(211) (UL=-0.44V)和 Fe@Cu(211) (UL=-0.65V)電催化CO2生成甲烷優於Cu(211)(UL=-0.82V)，其內在原因是打破了關鍵反應中間體在活性位點上的吸附能耦合比例關係，而*CO和*OH的吸附能可作為區分不同M@Cu(211)對CO2RR活性和選擇性的有效描述符，即前者對應於生成甲烷或甲醇的理論過電勢，後者對應於生成甲烷或甲醇的選擇性，據此，利用這兩個描述符可快速篩選高性能CO2RR催化劑。研究成果以“Electrochemical CO2 Reduction Reaction on M@ Cu (211) Bimetallic Single-Atom Surface Alloys: Mechanism, Kinetics and Catalyst Screening”為題，發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8, 210-222。
2. 直接甲酸燃料電池(DFAFC)陽極反應
DFAFC作為質子交換膜燃料電池的一個子分類，是將甲酸直接注入燃料電池陽極進行氧化反應，轉化為CO2和水以產生電能，而甲酸可由生物質製取，陽極上電催化甲酸氧化反應(FAO)至關重要，持續改性Pd陽極材料以提高FAO電催化性能是目前的研究熱點和難點。安煒教授課題組系統研究了Pd基雙金屬合金表面上的FAO反應，預測了Mo@Pd(111)是最具潛力的雙金屬Pd基催化劑，在所考察的9種M@Pd(111)合金中Mo的*CO吸附最弱，*OH吸附最強，據此，它們可作為設計高活性FAO催化劑的有效描述符。研究成果以“Bimetallic Pd-Based Surface Alloys Promote Electrochemical Oxidation of Formic Acid: Mechanism, Kinetics and Descriptor”為題，發表在Elsevier旗下的Journal of Power Sources, 2020, 451, 227830,該期刊為電池、燃料電池和電化學領域的國際知名期刊，中科院SCI期刊分區一區，IF=7.47。
3. 苯酚加氫脫氧(HDO)反應
生物質作為能源版圖中僅次於煤炭、石油和天然氣而居於第四位，直接或間接來源於綠色植物的光合作用，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源，對它的研究和應用將有益於人類逐漸擺脫對化石能源的過度依賴，但未經催化升級預處理的生物質油難以用作煉廠原料或成品燃料。HDO是將生物質油中的含氧化合物催化轉化為所需烴類產物的重要反應，苯酚可作為木質素生物質油的探針分子，理論研究苯酚HDO反應，將對生物質油催化升級以及涉碳化學鍵(例如C-O鍵)的催化活化新機制、新途徑提供理論基礎。安煒教授課題組基於前期的研究基礎[Journal of Catalysis, 359, 272-286(2018), 一區, IF=7.72；Catalysis Science & Technology, 8, 2146-2158(2018), 二區, IF=5.72；Journal of Physical Chemistry C, 122, 21897−21909 (2018), 二區, IF=4.31]，系統研究了各種摻雜金屬M對Pt和Ni基雙金屬單原子合金表面上苯酚HDO反應的影響，揭示了*OH吸附結合強度可作為金屬或合金催化劑脫氧活性的有效描述符，據此，為了獲得酚類HDO反應生成苯基烴產物最佳的催化活性，必須考慮M親氧性的適度平衡，使直接脫氧、加氫脫氧和生成水的反應都能得到同步促進。研究成果以“Hydrodeoxygenation of Phenol over Ni-based Bimetallic Single-Atom Surface Alloys: Mechanism, Kinetics and Descriptor ” 為題，發表在英國皇家化學會主辦的Catalysis Science & Technology, 2019, 9, 4314-4326，以“Effect of Doped Metals on Hydrodeoxygenation of Phenol over Pt-Based Bimetallic Alloys: Caryl–OH Versus CaliphaticH–OH Bond Scission”為題，發表在美國化學會主辦的Journal of Physical Chemistry C, 2019, 123, 16873-16882。
上述研究工作為快速篩選和自下而上理性設計高效的目標催化劑提供了理論依據和指導，得到了國家自然科學基金(21673137)、上海市科委(16ZR1413900)的資助，得到了美國布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心超算中心的支持。
來源 上海工程技術大學
論文鏈接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b05042
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b05183
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320301336
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cy/c9cy01082c#!divAbstract
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b04457
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