973项目申报书——XXXXCB808700-G若干功能体系的定向设计与构筑

项目名称：若干功能体系的定向设计与构筑首席科学家：于吉红吉林大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部中国科学院二、预期目标项目的总体目标：本项目的研究目标是揭示若干功能体系定向设计与构筑中的一些基本规律及原理，进一步发展定向设计与构筑的一些新理论、新方法、新路线。在此基础上，解决功能体系定向设计与构筑的关键科学问题。通过项目的实施，提升我国化学学科前沿科学研究水平和国际地位，培养一批高层次的研究人才，形成在国际上有重要影响的研究群体和基地，为促进化学以及信息、环境、能源、材料、农业及生命等领域的迅速发展提供相关科学基础。五年预期目标:I．揭示功能体定向设计与构筑的一些基本规律和原理：（1）分子在表界面的自组装规律和基本原理（2）表界面结构与电子性质的构效基本规律（3）多孔结构选择性构筑及合成反应规律（4）金属价态、基元构型、边臂协助的功能作用规律（5）共价键选择性构建规律II．发展功能体系定向设计与构筑的一些新理论、新方法、新路线：（1）功能分子表界面有序结构调控的新方法（2）光电与催化功能体系化学调控的新方法（3）特定孔道结构设计与定向构筑的理论方法（4）高选择性构建共价键的理论和新方法III．构筑一些新型功能材料：（1）基于微纳多级有序结构光电极和新型有机光电功能材料的太阳能电池和光电传感功能材料（2）性能优良的光电磁功能配合物材料（3）性能优良的生物质转化催化剂(4）具有高效催化与吸附分离功能的多孔材料（5）具有高效催化功能的金属有机化合物材料通过本项目的实施，形成在国际上有重要影响的研究群体和基地，培养一批高层次研究人才，其中包括5-10名国家杰出青年基金获得者或长江特聘教授，取得诸多具有国际先进水平的标志性研究成果，发表影响因子3.0以上的SCI检索论文300篇左右。三、研究方案学术思路：本项目以“分子工程学”为指导思想，以若干功能体系为研究对象，探索分子自组装、表界面及能级结构的调控，多孔空间结构的设计构筑与合成规律，金属价态、基元构型、边臂协助的作用机制，化学键的可控断裂与形成等关键科学问题，揭示相关规律和原理，进一步发展功能体系定向设计与构筑的新理论、新方法、新路线，为促进化学以及信息、环境、能源、材料、农业和生命等领域的迅速发展提供相关科学基础。技术途径：发挥我们在单分子表面自组装研究方面的经验积累和研究特长，通过研究分子基底相互作用和分子间相互作用对于表面自组装过程的影响，建立发展利用表面自组装过程实现分子纳米结构定向构筑的方法。在此基础上，设计构筑功能分子的图案化纳米结构，并研究图案化分子聚集体的新奇物理化学性质。利用分子和纳米层次的表界面表征技术，研究功能体系中表界面物理化学过程，探索功能调控的化学基础，为设计、构筑具有新颖结构和更高性能的分子基功能体系提供基础技术支持和理论思路。利用我们在催化及光电功能体系研制与利用高真空、低温STM研究表界面结构与电子性质方面的优势，系统开展相关功能体系的设计、定向合成与组装研究，研究表界面结构、能级结构及局域电子态密度对分子选择性活化与能量转化过程的影响规律；利用金属及多金属胶体簇、微纳结构半导体及表面功能化碳材料，发展生物质催化转化和燃料电池催化剂；研制新型微纳多级有序结构光电极和有机光电功能材料，以此为基础发展性能优良的新型太阳能电池等光电功能体系。在多孔催化与吸附分离体系的研究中，以我们在国际上率先建立的多孔材料合成反应数据库和结构数据库为基础，将实验合成与理论模拟相结合，开展功能导向的多孔材料结构设计与定向合成的理论研究；利用各种先进的原位表征技术（如SAXS、HRTEM、UV-Raman、NMR等）揭示多孔功能材料晶化过程中选择性构筑及形成机制；建立功能-结构-合成之间的关系与规律；在此基础上，实现多孔功能体系的功能调控，设计构筑一批具有优异催化与吸附分离性质的多孔功能材料。在创建光电功能配合物体系方面，基于分子工程学思想，针对功能的需求，利用量子计算化学和分子力学等方法设计合适的无机（金属）和有机（配体）构筑单元，探索基块间识别与自组装规律，构筑具有特定光电功能的零维分子或团簇、一维链、二维层、三维骨架以及类四级结构配合物。根据能量最小原则，充分利用基块的结构构型、基块之间的共价、配位、氢键以及弱的范德华作用，调制基块间电子传递、能量转移和自旋转换等作用，认识调制体系物理化学光电功能的微观机理，改进和发展实现配合物功能体系分子设计的施工方法。在创建活性金属有机化合物催化功能体系中，针对本方向的关键科学问题，将应用金属有机化学中相关概念和原理，如软硬酸碱性匹配原理、抓氢作用、金属阳离子-π体系弱相互作用、金属d轨道与π体系共轭离域稳定化作用、次级配位环境调节等，设计合成具有特定金属构型、低氧化态以及拥有多活性位点的金属有机化合物体系，如低氧化态卡宾-3d金属化合物、低配位碳二宾-铁系金属化合物、官能团化的金属杂环化合物、丁二烯基双金属化合物、硼杂苯-稀土化合物等，通过各种谱学手段了解其几何及电子结构，探索这些活性金属有机化合物对各类化学键的反应机制，调控金属有机化合物的反应活性及选择性，发展从活性金属有机化合物出发的有机功能分子及聚合物材料合成新方法。在共价键形成中选择性控制、高选择性形成共价键反应的设计、功能分子构建的研究中，通过研究过渡金属催化下碳碳重键、碳杂重键、联烯的选择性断裂、形成过程，研究过渡金属催化下构建碳碳键、碳氟键的选择性，揭示催化体系中配体的配位原子，配体结构、骨架的变化与催化体系中金属中心的变化，以及底物活性的变化等因素对共价键构建中选择性的影响。利用现代分析手段，通过产物结构、反应中间体以及反应跟踪等研究反应过程，了解催化体系、底物活性等与选择性关系，并由此设计、发展若干新型选择性构建共价键的方法。创新点与特色：本项目以功能为导向开展定向设计与构筑研究，在分子水平上基于不同结构层次(共价键、分子结构、表界面和电子结构、金属-有机配位结构、多孔空间结构)揭示贯穿功能-结构-合成三者之间的基本规律以及原理；将理论计算模拟引入化学理论建设和科学问题研究中，为功能体系的创制提供理论基础。主要创新点如下：（1）基于分子工程学的思想设计与调控表界面纳米结构，为研制催化与光电功能材料提供科学基础；（2）根据多孔催化与吸附分离功能的化学基础，设计孔道结构，开发定向设计合成的新路线；（3）基于能量和结构规则，调制基块间电子传递、能量转移和自旋转换，构建光电磁配合物功能材料；（4）利用配体与金属中心电性对金属有机化合物活性的调控，发展高活性催化功能材料；（5）通过配体的空间效应和活性中心微环境的调节，控制共价键形成的化学选择性。可行性分析：本项目研究目标明确，且有良好的工作积累，在一些功能体系的功能-结构-合成关系的研究方面已获得了一些重要的结果。扫描探针显微技术（SPM）及其它单分子纳米表征技术的发展为深入研究表界面自组装规律、表界面结构及电子结构提供了有效手段；在国际上率先建立的多孔材料合成反应数据库和结构数据库为多孔功能体系的定向设计与构筑提供了重要基础；长期的研究表明，通过配体的配位原子、空间和电子效应可以实现对金属配合物性质的调控。课题组在多年合作的基础上，已经形成了一支在国际上有影响的研究团队，同时项目依托单位也具有良好的实验条件。相信我们能够完成以上所提出的研究计划，在功能体系的定向设计与构筑研究中将取得突破性进展。课题设置：课题一：课题名称：分子基功能体系的组装规律及应用承担单位：中国科学院化学研究所课题负责人：王栋学术骨干：万立骏、白春礼、胡劲松、杨德亮经费比例：10.5%研究目标：从分子层次揭示自组装结构的基本规律和原理，发展可控制造表面纳米结构的定向设计与构筑理论与方法；深入理解功能体系中表界面结构与功能之间的关系，从原理上提出提高功能体系性能的新思路，形成在国际上有特色的研究领域。研究内容：表界面是众多功能体系的基本结构单元。在表界面设计与构筑具有特定图案化结构和功能的二维分子自组装体不仅为研究催化、光电功能材料等研究提供基础支持，而且为发现、创制新的分子基功能体系提供可能。本课题以具有原子分辨的扫描探针显微技术为主要研究手段，辅以各种表面谱学技术和理论模拟，研究并总结分子在二维自组装过程中的普遍规律和基本原理，基于分子工程学的思想设计并调控表界面纳米结构。主要研究内容如下：1.分子二维自组装的基本原理。研究表面单分子的形态，分子-基底相互作用对表界面单分子的性质的影响；分子组装体中分子间非共价键的种类、性质、定性与定量描述，以及各种非共价键间的相互作用研究；溶剂、浓度、温度、光、电等外场环境条件对于组装结构的调控。2.功能分子在表界面有序组装结构的调控。以发展表面有序结构构筑的新方法为目标，重点研究分子模板法制备表面图案化结构；大尺度功能分子有序结构的构筑；电，光，溶剂等外场调控的图案化自组装过程等。在此基础上，研究具有特定聚集形态的图案化分子聚集体的物理化学性质。3.功能分子体系的表界面基础研究。发展从分子（纳米）尺度上进行电极/电解质界面反应原位观测的表征技术；揭示影响储能材料表界面稳定性的关键因素，探索解决途径，构筑界面稳定的纳米结构储能材料；理解纳米材料体相与界面的离子、电子存储与输运行为，设计并组装出高效、稳定的纳微复合结构电极材料。课题二：课题名称：催化与光电功能体系表界面分子工程承担单位：北京大学课题负责人：王远学术骨干：吴凯、徐东升、刘海超、朱月香经费比例：16%研究目标：建立催化与光电功能体系表面结构与电子性质化学调控新方法，在分子水平上揭示催化及光电功能体系中表界面结构和能级结构对分子选择性活化与能量转化过程的影响规律。研制出性能优良的新型太阳能电池及光电传感功能材料，对生物质催化转化等化学反应具有优良催化性能的新型催化剂和新型、高效燃料电池催化电极。研究内容：开展催化与光电功能体系表界面分子工程研究，针对国家在可持续能源、资源开发与高效利用、环境保护、先进信息技术与材料等方面的战略需求，系统研究催化及光电功能体系中表界面结构、能级结构的化学调控及构效规律，利用高真空、低温STM，时间分辨光谱等方法在分子水平上研究表界面结构与电子性质对分子选择性催化转化与能量转化过程的影响规律。发展生物质选择性催化转化和燃料电池催化剂；研制基于微纳多级有序结构光电极和有机光电材料的新型太阳能电池和光电传感等功能材料。主要研究内容如下：1.设计、制备微纳多级有序结构光电极和新型有机半导体等光电材料，以此为基础研制性能优良的太阳能电池及光电传感等功能材料。2.研制基于金属及多金属纳米簇、微纳结构半导体及表面功能化碳材料的高活性和高选择性生物质催化转化催化剂以及在精细化工及环境保护方面有重要意义的催化剂。3.研制对C1至C3醇氧化具有高活性的燃料电池催化阳极，研制对氧还原反应具有高选择性和高活性的燃料电池催化阴极，探索解决直接醇燃料电池中醇透膜导致电池性能下降问题的新途径。4.利用高真空、低温STM，时间分辨光谱等方法在分子水平上研究表面结构与电子性质对分子选择性活化、催化转化与能量转化过程的影响规律。课题三：课题名称：多孔功能体系的定向构筑与理论研究承担单位：吉林大学、上海交通大学课题负责人：于吉红学术骨干：徐如人、裘式纶、陈接胜、李激扬经费比例：22%研究目标：揭示多孔结构选择性构筑及合成反应规律，建立计算机辅助下多孔材料结构设计的理论方法，开发以数据挖掘和理论模拟为指导的定向合成途径，实现多孔功能体系的功能调控，设计构筑一批具有高效催化与吸附分离功能的新型多孔材料。研究内容：以多孔功能体系为研究对象，揭示多孔材料催化与吸附分离功能的化学基础。在计算机辅助下，开展功能导向无机多孔材料的结构设计与定向合成理论方法的研究，为指导具有高效催化与吸附和分离性能的新型多孔功能体系的定向设计与合成提供理论基础。主要研究内容如下：1.多孔功能材料结构设计的理论方法。在以往我们开展的分子筛结构设计的研究基础上，结合多种计算机模拟技术，开发高效的结构设计的理论方法。根据实际功能的需求，设计具有特定孔道形状、