特色实验室拟依托现有的科研创新平台和人才团队，围绕能源转化和纳米催化的研究方向，引进和组织具有不同学科背景的科研人员，以贵金属纳米晶、多酸功能材料、金属磷化物等前沿纳米材料作为纳米催化研究的突破口，在催化过程理论模拟、新型纳米（光、电）催化材料的精准设计、可控制备和原位构效关系研究等方面，开展多学科交叉融合的科技攻关，实现能源转化效率的提升和催化转化产物的选择性优化，揭示新型的能源转化和纳米催化过程机制，为相关学科的关键理论创新和产业关键共性技术突破，提供有特色的解决方案和智力支撑。
实验室围绕国家和山东省优势产业升级改造与结构调整、战略新兴产业发展、“新旧动能转换”和济宁市“231”先进制造业集群社会建设的重大需求，立足发展实际，以科技创新能力建设为中心，发展针对产业关键共性技术的基础研究和应用技术研究，拟在以下五个方面开展有特色的研究。
图1.铑催化的2-烯基苯酚和2-烯基苯胺与炔烃的环化反应机理研究
（1）光催化金属偶联反应机制理论研究。团队带头人为刘涛教授。①研究光氧化还原铱/钯协同催化氧化偶联环化反应的机理，通过理论计算确定最有利的钯催化循环，揭示光敏剂和氧气在钯催化剂氧化步骤的作用；②针对光氧化还原铱/钯协同催化醋酸烯丙酯还原偶联反应，比较零价钯活化醋酸烯丙酯的SET和氧化加成模式，以及偶联过程的内层和外层机理，确定最优反应路径。探索光/Pd(II)-CDC协同催化C－H芳基化反应的机理，对比Pd(IV)和Pd(III)的还原消除过程，比较歧化反应和归中反应，研究Pd(II)-CDC分子结构，建立反应机理模型。③总结氧化、还原、交叉偶联三类反应中钯催化循环的共性和区别，探索影响钯氧化态的关键性因素，如钯自身性质、氧化还原环境、光敏剂等，凝练影响因素作用规律，以期为后续的实验提供一定的理论指导。此外，重点关注光循环和铜催化循环的具体路径，总结铜催化循环中活性催化剂的特点，比较光/金或光/铜协同催化偶联反应机理的异同。由于光/钴协同催化体系的理论研究还比较少，也将选择代表性的反应进行计算，重点比较钴和镍在光催化反应中的异同。
图2.首例POMs构筑的具有纳米笼结构的多酸基复合物的设计示意图
（2）多酸基复合纳米材料的制备及在能源转换中应用研究。团队带头人为沙靖全教授。本方向围绕当前碱金属离子（锂/钠/钾）电池和锂硫电池中电极材料存在的技术瓶颈问题，通过建立有效的穿梭屏障、优化活性成分在导电材料中的分散，提高活性位点和活化基面的密度，以及调控界面的类型等，设计和制备出具有不同化学组成和结构的多酸/多酸基的复合纳米材料，研究他们作为电池电极材料的电化学反应动力学和反应机理，通过提高电子、离子传输的同时缓解体积骤变的问题，最终寻求电化学活性高、循环稳定性好、容量大、倍率性能高的电极材料，为新型高性能电池电极材料的研制和开发提供理论和实验依据。
图3.泡沫镍支撑磷化镍-磷化钌复合材料的制备
（3）新型金属磷化物基电催化材料的研究开发。团队带头人为李继森教授。为解决当前电解水制氢催化剂价格高，效率低，稳定性差等缺点，本团队通过组成调控，结构优化构建新型非贵金属磷化物基电催化剂。探讨改变材料的组成、合成温度、合成时间及不同测试条件对析氢性能的影响；并利用理论计算寻找这类催化剂的最佳活性组合，研究催化机理，为高效稳定的析氢电催化剂的设计和开发提供有价值的理论和应用参考。
图4.（a）多酸插层FeOCl纳米片;（b）乙腈插层FeOCl纳米片的TEM图
（4）导电聚合物/铁基复合光催化材料的设计与应用研究。团队带头人为张建副教授。具体包括：①导电聚合物插层层状铁基化合物的构筑及光催化性能研究。设计合成导电聚合物插层FeOCl纳米片，利用导电聚合物加速FeOCl层间光生载流子快速传输。利用插层结构增加接触面积，将光生电荷快速转移到催化剂表面，实现优异的水分解制氢气、CO2还原、水污染治理性能。采用密度泛函理论（DFT）计算结合实验表征对催化机理进行研究，建立从微观物理量到宏观催化性能之间的关系。②Z型机制光催化材料的设计合成及器件。具有Z型反应机制的功能复合纳米材料具有最高的光生电子空穴对分离效率。根据光催化的作用机制，以理论计算为指导，构建出具有Z型反应机制的聚合物/铁基复合光催化材料，使其在太阳光下具有优异的产氢性能、CO2转化性能和污染物处理性能。利用分子模拟构建不同半导体的界面结构，以此为理论支撑，指导实验合成，并构建二维复合转化膜和三维气凝胶光催化器件。
图5.金铜纳米异质结的二氧化碳电催化还原过程示意图
（5）贵金属纳米催化剂的可控制备及其催化应用研究。团队带头人为郑逸群博士。以贵金属纳米晶普适合成方法学为基础，发展在组分和结构特征上具有新颖性的金属纳米结构的可控制备方法，重点探索金属间化合物纳米晶的合成机理；从纳米催化剂的结构、化学组分等特征与其催化性能的相关性出发，针对当前贵金属纳米催化剂实际使用过程中存在的技术瓶颈问题，将贵金属纳米晶的可控制备研究与纳米催化性能改善有机结合，推动催化剂活性、耐久性和产物选择性的精准调控；同时利用支撑材料纳米晶的表面等离子共振特性和表面增强拉曼信号变化来研究电催化反应中的催化反应动力学和反应机理，将为纳米催化剂的设计与合成提供理论指导。
