《电催化剂的表面结构效应、设计合成和反应机理研究》

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该项目属于物理化学领域,主要涉及电催化研究。电催化剂是电化学能源转换等重要领域的核心,其性能主要取决于表面结构。运用单晶电极获取结构与性能的规律,再将其用于设计和研制高性能电催化剂,一直是研究难题。正如诺贝尔化学奖得主Ertl教授在其获奖演讲中指出,跨越单晶模型和实际催化剂之间结构和环境巨大差异的鸿沟是重大挑战。该项目二十多年来,通过对单晶电极的系统深入研究,揭示了电催化剂的构效规律;通过建立电化学界面研究方法,阐明了电催化反应机理;进而取得纳米催化剂合成的重大突破。研究工作促进了电化学等相关学科的发展。创建了高指数晶面/高表面能金属纳米晶控制合成的电化学方法,克服晶体生长趋于最低表面能的热力学限制,制备出高催化活性的二十四面体铂纳米晶。进一步实现了高表面能铂、钯、金、铁等纳米催化剂的理性设计合成和性能调控。成果发表于《Science》等期刊,被《Science》的专文评价为“纳米催化剂合成的重大突破”;《Acc.Chem.Res.》的综述文章指出“孙等人首次制备出高指数晶面铂纳米晶,引发了高指数晶面贵金属纳米粒子研究的热潮”。研制出一系列原子排列结构不同的铂单晶电极,系统深入地研究了电催化剂的表面结构效应。揭示了高指数晶面具有高催化活性的规律,提出了椅式结构电催化活性位模型,发展了电催化的基础理论,为理性设计合成高活性电催化剂奠定了基础。“金属单晶表面电化学催化基础和理论模型”成果获1996年度国家教委科技进步奖二等奖。建立了居国际先进水平的一系列原位红外反射光谱方法和电化学一超高真空电子能谱。指认电催化反应中间体和产物,阐明了反应机理;发现铂表面各种氧化态的电催化功能,解决了长期困扰于诠释铂电极上醇燃料分子复杂氧化行为本质的难题。“光学光谱电化学”获1992度国家教委科技进步奖二等奖。该项目20篇主要论文含《Science》1篇、化学权威期刊《J.Am.Chem.Soc.》1篇和《Angew.Chem.Int.Ed.》3篇,共被他引1673次,其中SCI他引1505次;8篇代表性论文他引1274次;单篇最高他引831次。二十四面体铂纳米晶的成果,2007年入选中国高等学校十大科技进展和中国基础研究十大新闻,被美国C&EN评为年度化学24项重大进展之一,被英国Chem.World选为年度化学40项最前沿研究之一。该项目的“电催化表面结构效应和反应机理研究”成果获2008年度教育部自然科学奖一等奖。第一完成人孙世刚在国际学术会议作大会特邀报告7次、主题和邀请报告49次。于2005年和2007年分别当选英国皇家化学会会士和国际电化学会会士,2012年担任国际电化学会的会士提名委员会主席。2012年担任电化学领域重要期刊《Electro-chim.Acta》副主编。2009年获首届中国电化学贡献奖;2010年获国际电化学会Brian Conway奖章。

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