中文摘要：

申请者通过运用及发展以超级计算机为辅的量子力学理论模拟方法，来探索表面化学反应的机理本质，建立理论框架,从基础理论层次上为新材料合成、新催化反应设计指导方向。理论计算模拟结果可为推动表面科学乃至整个催化科学向原子尺度发展起到重要作用。取得的重要研究成果包括: 独创了一种快速过渡态搜索方法，极大促进了表面反应的研究；提出了理解和预测金属表面催化反应能垒和反应位的一般规律；对若干金/氧化物复相催化系统建立了理论模型，发现了界面反应的微观机理及物理本质；阐明了一系列具有重要工业应用背景的催化反应的反应机理。2002年以来共发表国际论文33篇（含2005年回国后14篇），其中包括化学和物理领域顶尖期刊（IF>7）的论文17篇（回国后4篇），邀请综述2篇，这些论文总他引数442次，单篇最高他引77次。获得2004年国际IUPAC青年化学家奖（全球4人之一）， 2007年中国化学会青年化学奖。

结论摘要：

在理论催化方法发展，固气多相催化动力学，固液界面电化学催化以及光化学催化理论模拟等几个方面都取得了积极进展。尤其是建立了一套基于周期性第一性原理均匀介质溶剂化算法的固液界面催化理论方法框架，同时结合课题组一直致力于发展的快速过渡态算法，创新性地研究了一些能源相关固液界面的复杂催化现象，对光化学催化和电化学催化微观动力学过程进行描述。课题组独立发表科学论文21篇（有基金感谢标注），其中2010-2011年连续发表四篇固液界面催化的论文在J. Am. Chem. Soc.上。受邀在多个国际重要专业会议上做报告（ECOSS 大会，美国电化学年会，CECAM国际理论电化学会议等）和在国际主流刊物上撰写论文。创新点简述如下1.反应过渡态新搜索方法 （J. Chem. Theory Comput., 2010, 6, 1136; 2012, 8, 2215）。我们结合限制最小化方法和Dimer方法，独立发展了一类过渡态搜索新算法(CBD和BP-CBD)。CBD方法与原始的Dimer方法相比，搜索行为更为连续和稳定，优化过程中信息的利用率高，优化效率提高3倍。BP-CBD方法，通过引入偏执势函数，可以用于连续、自动化地搜索表界面的复杂反应过程，能极大扩宽目前表界面催化体系的研究范围，包括用于表界面结构和反应通道预测。这些计算方法都已经程序化，并申请了相关专利。2. 固液界面理论催化方法和应用（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13008；2010, 132,　18214；2011, 133, 9938；2011, 133, 15743）。我们独立发展了基于周期性第一性原理均匀介质溶剂化(DFT/CM-MPB)方法，以固液界面电化学反应为主要研究对象，细致考察了电化学电场、表面电荷,溶剂化效应等重要因素对界面催化化学反应的影响。对于电化学体系，我们系统考察了氧气还原，水裂解产氧气，甲酸氧化到CO2等过程，揭示了这些反应的微观机理。对于光化学体系，我们主要考察了TiO2表面和纳米颗粒裂解水制氧气，苯甲醇氧化降解等反应，从热力学和动力学两个方面对这些反应的微观机理进行了阐述，对光催化反应中的C-H，O-H断键选择性进行了阐述。预测了表面共掺杂可以有效提高裂解水的能力；纳米颗粒对光催化的最优尺寸在15-20纳米。