“碳基能源轉化利用的催化科學”重大研究計劃2020年項目指南

碳基能源轉化利用的催化科學重大研究計劃面向碳基能源高效利用的國家重大戰(zhàn)略需求，針對催化表界面化學所涉及的關鍵科學問題開展系統(tǒng)深入的研究。本重大研究計劃注重催化劑結構、表界面特性，以及外場環(huán)境對催化劑表界面電子態(tài)的影響和調控，重點關注能源小分子高效轉化相關的C-H鍵和C-O鍵的催化活化及C-C偶聯(lián)等反應；創(chuàng)新碳基能源利用的化工過程，優(yōu)化反應歷程，以達到高效、環(huán)保和CO2低排放的目標；建立和發(fā)展高分辨表征手段，實現(xiàn)在實際催化反應條件下對反應過程進行精準表征；發(fā)展新的理論方法，實現(xiàn)在接近真實催化反應條件下的理論模擬和預見，為未來在分子、原子水平上對催化劑活性中心進行理性設計提供指導。

　　一、科學目標

　　本重大研究計劃擬通過化學、化工、數(shù)理、材料等多學科交叉融合，針對碳基能源分子的高效轉化，在催化相關的理論和實驗的創(chuàng)新上取得突破，充分發(fā)揮和放大我國在微納米和表界面研究領域的優(yōu)勢，力爭在催化表界面理論研究方面形成特色；著重解決涉碳化學鍵催化活化、合成氣高效轉化和碳基小分子電催化轉化等過程的關鍵科學問題，推動碳基能源的產(chǎn)業(yè)革命；造就高水平、結構合理的研究隊伍，培養(yǎng)精于理論和實驗科學研究的優(yōu)秀青年學者，大力提升我國在這一領域的競爭力和國際地位。

　　二、核心科學問題

　　本計劃針對碳基能源轉化利用的催化科學，圍繞以下三個核心科學問題展開研究：

　　（一）催化劑固體表界面局域原子和電子結構的精準設計與構建。

　?。ǘ┨蓟d能分子在表界面的選擇活化和定向轉化。

　?。ㄈ┐呋瘎┕腆w表界面特性與環(huán)境和外場的相互作用機制及調控規(guī)律。

　　三、2020年度重點資助研究方向

　　進一步聚焦碳基能源轉化利用的關鍵催化科學問題，針對合成氣直接轉化、CO2和甲烷催化轉化等過程，加強理論研究并與實驗相結合，注重發(fā)展和利用原位表征新技術和新方法。2020年擬在前5年資助項目的基礎上，對以下方向進行集成：

　?。ㄒ唬?span style="font-size: 16px; color: rgb(192, 0, 0);">研究電催化劑和電解質的構效關系，認識相關表界面電催化反應機理，揭示電催化過程中多相多尺度作用機制和調控規(guī)律，實現(xiàn)CO2和CH4活化和定向轉化為烯烴或其它高值化學品的高效電催化過程，并達到工業(yè)級電流密度（不小于0.5 A/cm2）。

　?。ǘ?span style="font-size: 16px; color: rgb(192, 0, 0);">針對甲烷活化反應，發(fā)展催化劑表界面結構調控催化特性的新方法，認識C-H高效活化、C-C可控偶聯(lián)的新機制，創(chuàng)制新催化劑和新反應過程，實現(xiàn)甲烷直接轉化，高效制取高值化學品和液體燃料。

　?。ㄈ?span style="font-size: 16px; color: rgb(192, 0, 0);">發(fā)展理論和實驗研究方法，在原子尺度上研究氧化物催化劑表界面缺陷結構的調控規(guī)律和碳基小分子的活化機理，揭示C-O和C-H等化學鍵活化、以及中間體形成和轉化的熱力學和動力學規(guī)律，系統(tǒng)探索和深入認識納米限域催化和單原子催化的本質，形成化學鍵精準構建的催化新概念和新理論。

　　四、2020年度資助計劃

　　2020年度擬資助集成項目3-4項，直接費用的平均資助強度約為1000-1500萬元/項（由指導專家和評審專家組根據(jù)評議情況確定資助額度），資助期限為3年，申請書中研究期限應填寫“2021年1月1日-2023年12月31日”。

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“多相反應過程中的介尺度機制及調控”重大研究計劃2020年度項目指南

　過程工業(yè)涵蓋能源和資源轉化利用等重要基礎產(chǎn)業(yè)，但效率低、污染重、資源浪費嚴重，多數(shù)過程的工藝技術開發(fā)周期長、風險和費用高，這些問題已成為可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。多相反應是其中最普遍與最核心的過程，探索這些過程中介尺度結構的形成機理、實現(xiàn)其科學定量描述與定向調控已成為過程工業(yè)發(fā)展的前沿。

　　多相反應過程中的介尺度機制是指由大量單元組成的系統(tǒng)在個體單元與整體系統(tǒng)之間的尺度范圍內復雜時空結構的形成與演化規(guī)律。主要包括兩個層次的介尺度問題，其一，分子尺度到顆粒（包括氣泡、液滴等離散單元）尺度間的材料結構或表界面時空尺度；其二，顆粒尺度到反應器尺度間形成的非均勻結構的時空尺度。本重大研究計劃將闡明其機理，發(fā)展模擬計算與實驗表征方法，進而建立相關模型與理論，重點揭示介尺度結構對流動-傳遞-反應行為的影響及其耦合規(guī)律，建立多相反應過程定量設計、優(yōu)化和調控的方法，形成以介尺度科學為基礎的過程工程學科新方向，服務于相關工藝和過程的開發(fā)。

　　一、科學目標

　　針對多相反應過程中的材料和反應器兩個層次中普遍存在的介尺度問題，明確不同系統(tǒng)中介尺度結構的定義和特征，闡明多尺度過程的介尺度作用機制，尋找量化規(guī)律，建立共性理論；鼓勵學科交叉，突破傳統(tǒng)方法的局限性，解決重大工程應用中的關鍵問題。

　　二、核心科學問題

　　本重大研究計劃將重點針對多相反應過程中介尺度行為和效應顯著的氣固、氣液、氣液固和復雜流體等系統(tǒng)，瞄準相關應用過程中的共性基礎問題，在深入剖析現(xiàn)有典型工藝的基礎上，對材料表界面和顆粒聚團兩個介尺度問題以及它們在顆粒尺度進行流動-傳遞-反應耦合的規(guī)律進行研究，解決以下三個關鍵科學問題：

　?。ㄒ唬┎牧霞氨斫缑娼槌叨冉Y構的形成機理與反應的定向調控。

　?。ǘ┓磻髦薪槌叨攘鲃?傳遞過程的多機制耦合與調控。

　　（三）上述兩個層次間關聯(lián)的理論與方法。

　　三、2020年度重點資助研究方向

　　為進一步聚焦介尺度核心科學問題，在原資助項目的基礎上，本重大研究計劃2020年繼續(xù)進行項目集成,主要針對重大應用過程中材料/表界面層次和反應器層次的具體介尺度問題實例，發(fā)展和驗證介尺度機制的基本原理，建立基于介科學原理的計算方法，解決重大應用中的瓶頸科學問題。所有集成項目須包含以下四項研究內容：

　?。ㄒ唬┑湫瓦^程中介尺度結構對傳遞和反應的影響。

　?。ǘ┙槌叨葯C制的形成原理、耦合效應和運行規(guī)律。

　　（三）基于介科學的模型化和計算方法。

　　（四）重大工業(yè)應用范例。

　　四、2020年度資助計劃

　　2020年度擬資助集成項目1項，直接費用資助強度約為1000-1500萬元/項，資助期限為1年，集成項目申請書中研究期限應填寫“2021年1月1日-2021年12月31日”。資助項目數(shù)和資助經(jīng)費將根據(jù)申請情況和申請項目研究工作的實際需要而定。

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“團簇構造、功能及多級演化”重大研究計劃2020年度項目指南

　　團簇是介于原子/分子與宏觀物質之間的多核聚集體，具有確定的原子組成和化學結構，代表了凝聚態(tài)物質的初生態(tài)，是關聯(lián)宏觀性質和物質微觀結構的理想模型，對深刻認識和理解物質轉化的規(guī)律具有重大意義。

　　一、科學目標

　　通過化學、物理、生命、材料、環(huán)境、信息等多學科交叉，發(fā)展新型團簇及其多級結構構筑的新概念、新策略、新方法和新反應，建立團簇高精度和高分辨表征的新技術，在原子水平上揭示團簇特殊性質的結構基礎與演變規(guī)律，理解團簇結構與功能的關聯(lián)，制備功能團簇基材料與器件，解決基于團簇的變革性技術中的關鍵科學問題，促進相關學科的發(fā)展。

　　二、核心科學問題

　　本重大研究計劃將聚焦團簇構效關系，探索物質結構與性能隨團簇尺寸變化的規(guī)律，揭示團簇穩(wěn)定性機制，理解多級團簇體系中主體與環(huán)境的作用機制，實現(xiàn)功能導向的多級團簇結構的精準構筑和宏量制備。

　　（一）團簇的穩(wěn)定性機制。

　　具有特殊結構與獨特性能的新型團簇的發(fā)現(xiàn)、團簇形成機理和穩(wěn)定化機制的理解、各種化學鍵及弱相互作用的認知。

　　（二）團簇電子結構的規(guī)律。

　　團簇結構及穩(wěn)定性隨團簇尺寸的演變規(guī)律、團簇的“幻數(shù)”特性、團簇的構效關系。

　?。ㄈ┒嗉増F簇功能的調控原理。

　　多級團簇功能與團簇內聚集態(tài)、簇際相互作用、團簇與環(huán)境耦合的關系。

　　三、2020年度重點資助研究方向

　　針對原子團簇、分子團簇及其多級體系（特別是生物體系）中的重要科學問題，發(fā)展團簇研究的新方法和新理論，揭示團簇的形成機制、穩(wěn)定性規(guī)律和構效關系，構造具有獨特功能的團簇材料與器件。本重大研究計劃2020年度重點資助以下研究方向：

　　（一）團簇多級結構的精準構筑。

　　建立團簇的定向設計、高效合成策略和宏量制備方法，認識和理解團簇穩(wěn)定性機制，揭示團簇制備的調控規(guī)律。理解團簇內聚集態(tài)、簇際相互作用、團簇與環(huán)境及外場間相互作用的規(guī)律，揭示團簇基功能材料的構效關系，進而實現(xiàn)功能復合。重點支持新型團簇體系的合成方法和多級組裝結構的研究，特別注重主族元素團簇、f區(qū)元素團簇、模擬酶團簇、中性團簇及團簇組裝的功能材料體系。

　　（二）團簇的電子結構及演化規(guī)律。

　　發(fā)展團簇的電子結構和穩(wěn)定性理論，開發(fā)團簇體系的計算方法和軟件，理解大尺寸團簇的化學成鍵和電子結構。建立團簇結構數(shù)據(jù)庫，發(fā)展人工智能方法，指導團簇實驗研究。發(fā)展先進的團簇束源技術，建立團簇表征新方法，揭示團簇熱力學性質、成核機制和生長演化規(guī)律。重點支持高核團簇和復雜團簇的電子結構理論和高效計算方法、高時空分辨的譜學方法與成像技術、團簇結構和動力學的原位研究方法。

　　（三）團簇的功能與應用。

　　設計團簇基能源與信息材料，揭示團簇內核結構、配位結構、簇際相互作用、環(huán)境和外場等因素對材料性能的調控規(guī)律，實現(xiàn)團簇功能的理性設計，開展高性能原型器件的探索研究。重點支持團簇在量子計算、分子電子學、人工光合作用、溫和固氮、能量轉換、原子制造、量子精密測量與傳感、生物醫(yī)藥等領域的應用，特別注重具有重大應用前景的團簇組裝材料如量子材料、信息材料和催化材料等研究。

　　四、2020年度資助計劃

　　2020年度擬資助培育項目25-35項，直接費用資助強度約為80萬元/項，資助期限為3年，申請書中研究期限應填寫“2021年1月1日-2023年12月31日”；擬資助重點支持項目5-7項，直接費用資助強度約為300-400萬元/項，資助期限為4年，申請書中研究期限應填寫“2021年1月1日-2024年12月31日”。

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“大氣細顆粒物的毒理與健康效應”重大研究計劃2020年度項目指南

　　本重大研究計劃自立項以來，在PM2.5毒性組分辨識與溯源、PM2.5環(huán)境流行病學證據(jù)與特征、PM2.5污染的典型健康危害等三方面取得重要突破。隨著大氣污染防治策略的實施，全國范圍PM2.5控制效果顯著。然而，PM2.5質量濃度的下降并不意味著健康危害的同等程度減少，組分差異決定了PM2.5健康風險的差異，PM2.5多種復雜組分的聯(lián)合毒性作用研究從方法到機制都不清楚。已資助的環(huán)境流行病學研究揭示了PM2.5是我國慢阻肺和哮喘高發(fā)的主要因素之一，建立了全球范圍PM2.5污染與城市居民死亡率暴露-反應關系，提出了我國階梯性控制PM2.5帶來的心血管健康獲益，且在相應的PM2.5健康危害機制方面有所建樹；但是仍亟待建立PM2.5污染對重大疾病發(fā)生發(fā)展影響的暴露-效應-健康危害全鏈條證據(jù)。本重大研究計劃擬進一步組織多學科領域專家合作攻關，開展全鏈條分析，通過理論與方法學創(chuàng)新，回答大氣細顆粒物組分與其毒性間的因果關系，揭示典型地區(qū)大氣細顆粒物污染的機體損傷機制。

　　一、科學目標

　　本重大研究計劃擬圍繞大氣細顆粒物毒理機制與健康危害重大科學問題，解析霧霾關鍵毒性成分及其來源和暴露途徑；提出并建立個體水平和人群水平暴露評估的方法，闡明我國霧霾高發(fā)地區(qū)大氣細顆粒物污染的暴露特征；尋找并利用代謝組、遺傳和表觀遺傳生物標志物，解析細顆粒物對關鍵信號路徑的擾動作用，詮釋我國特征大氣細顆粒物毒性組分的生物學效應和毒理學機制；揭示大氣細顆粒物可能誘發(fā)的機體應答與機體損傷作用機理，闡明大氣細顆粒物污染與相關疾病的聯(lián)系及其可能的影響機制。

　　二、核心科學問題

　　核心科學問題是“大氣細顆粒物的毒性組分、毒理機制與健康危害”。

　?。?span style="font-size: 16px; color: rgb(192, 0, 0);">一）典型區(qū)域大氣細顆粒物毒性組分及暴露研究方法學。

　?。ǘ┐髿饧氼w粒物毒性組分的生物學效應與毒理學機制。

　?。ㄈ┐髿饧氼w粒物的健康危害效應。

　　三、2020年度重點資助研究方向

　?。ㄒ唬┘身椖?。

　　2020年本重大研究計劃擬在前5年資助項目的基礎上，對以下方向集成：

　　1.我國典型地區(qū)大氣細顆粒物的機體損傷機制。

　　立足我國區(qū)域大氣細顆粒污染實際，結合典型地區(qū)大氣污染情況，開展“大氣細顆粒物污染-外暴露-內暴露-效應標志物-機體損傷”的全鏈條研究，發(fā)現(xiàn)高靈敏度和高特異性的暴露、效應和易感生物標志物，建立環(huán)境暴露劑量與機體損傷的關系并詮釋其特征，闡明細顆粒物誘發(fā)機體功能異常和相關疾病的生物學基礎，繼而揭示典型地區(qū)大氣細顆粒物污染對重大疾病發(fā)生、發(fā)展、惡化等典型有害健康結局的影響機制。

　　2.大氣細顆粒物及其活性組分的毒理學機制。

　　大氣細顆粒物質量濃度的下降并不等同于其健康風險的同等程度降低，低質量濃度PM2.5暴露下，其毒性組分的決定作用更趨顯著。利用效應導向的大氣細顆粒物毒性組分解析技術，結合機器學習等先進方法，闡明實際PM2.5典型活性組分的聯(lián)合毒性作用機理。結合典型地區(qū)環(huán)境細顆粒物組成，揭示污染組分類型與比例的變化及共存大氣污染物對細顆粒物毒性效應和單位質量濃度PM2.5下降所致毒性消減的影響機制，回答大氣細顆粒物組分與其毒性間的因果關系。

　　（二）重點支持項目。

　　根據(jù)前5年項目資助與完成情況，結合最新出現(xiàn)的環(huán)境問題，2020年本重大研究計劃擬在以下方向資助重點支持項目：

　　1.大氣細顆粒物的體內存在識別和分布規(guī)律；

　　2.室內細顆粒物污染及其健康危害特征；

　　3.空氣細顆粒物對SARS-CoV-2等典型冠狀病毒環(huán)境傳輸?shù)挠绊憽?/span>

　　四、2020年度資助計劃

　　2020年度擬資助重點支持項目2-3項，直接費用平均資助強度200-300萬元／項，資助期限2年，申請書的研究期限應填寫“2021年1月1日-2022年12月31日”；擬資助集成項目2項，直接費用資助強度為1200-1500萬元/項，資助期限為2年，集成項目申請書研究期限應填寫“2021年1月1日-2022年12月31日”。資助項目數(shù)和資助經(jīng)費將根據(jù)申請情況和申請項目研究工作的實際需要而定。

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