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第一作者： 羅濤，張行

通訊作者： 劉敏，Michelle L. Coote         

通訊單位：中南大學(xué)，F(xiàn)linders大學(xué)             

四氟化碳 (CF₄) 是最簡(jiǎn)單的全氟化合物，被稱(chēng)為“永久化學(xué)品”，因其健康風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)而帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)高效的四氟化碳分解催化劑一直是一個(gè)難題，原因在于對(duì)其分解機(jī)理的了解有限。本研究結(jié)合約束從頭算分子動(dòng)力學(xué) (cAIMD) 模擬和原位實(shí)驗(yàn)，闡明了氧化鋁催化CF₄分解的機(jī)理，突出了表面羥基的關(guān)鍵作用。研究表明，初始C–F鍵的斷裂是限速步驟，而表面羥基能將反應(yīng)自由能從1.69 eV降低至1.34 eV。這些羥基還促進(jìn)了分解過(guò)程中生成的氧空位的自愈。與CF₄直接分解為CO₂的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)不同， 限制性分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜數(shù)據(jù)，揭示了新的CF₂O和CO副產(chǎn)物。在無(wú)水環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水主要通過(guò)補(bǔ)充表面羥基起作用，而非直接參與分解。因此，Al₂O₃催化劑的高效源于三個(gè)關(guān)鍵特性：(1) 存在具有特定CF₄吸附親和力的活性位點(diǎn)，確保高效的底物相互作用；(2) 合適的金屬–氧鍵強(qiáng)度，使晶格氧能夠參與反應(yīng)；(3) 高密度的表面羥基，促進(jìn)初始C–F鍵的斷裂和氧空位的自愈。

在現(xiàn)有的CF₄分解技術(shù)中，熱催化水解因其技術(shù)要求簡(jiǎn)單且最終產(chǎn)物無(wú)害而被認(rèn)為是最優(yōu)選擇。在已報(bào)道的催化劑中，氧化鋁（Al₂O₃）被視為一種非常有前景的CF₄分解催化劑。然而，盡管氧化鋁的潛力已被廣泛認(rèn)可，其作用機(jī)理仍不明確，尤其是其在高溫下表現(xiàn)出高活性的根源尚未被完全理解。

a. 通過(guò)cAIMD模擬，全面揭示了CF₄在Al₂O₃催化劑表面分解的詳細(xì)反應(yīng)路徑，涵蓋了初始C–F鍵斷裂、反應(yīng)中間體生成及產(chǎn)物釋放的全過(guò)程。這一方法有效彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)手段難以直接捕捉微觀(guān)反應(yīng)過(guò)程的局限，為理解復(fù)雜的催化分解機(jī)制提供了新的視角。

b. 研究發(fā)現(xiàn)，Al₂O₃表面的羥基不僅通過(guò)降低反應(yīng)自由能促進(jìn)了CF₄的初始C–F鍵斷裂，還參與了氧空位的自愈。這一功能性雙重角色確保了催化劑的高效性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，突出表面羥基作為活性位點(diǎn)和催化循環(huán)關(guān)鍵參與者的重要性。

c. 通過(guò)結(jié)合同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜（SVUV-PIMS）實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算，首次確認(rèn)CF₂O和CO是CF₄分解過(guò)程中形成的主要中間產(chǎn)物。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)為CF₄直接轉(zhuǎn)化為CO₂的理論，揭示了CF₄分解反應(yīng)具有更為復(fù)雜的機(jī)制，并為后續(xù)的副產(chǎn)物控制和催化劑設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

圖1. CF₄的吸附

圖2. CF₄的分解 

圖3. CF₃的分解 

圖4. 完整的反應(yīng)路徑

中南大學(xué)劉敏教授課題組招收博士后

一、導(dǎo)師及課題組簡(jiǎn)介：

劉敏教授為中南大學(xué)博士研究生導(dǎo)師，科睿唯安高被引科學(xué)家，四青人才。主持科技部重點(diǎn)研發(fā)國(guó)際間重點(diǎn)合作項(xiàng)目，基金委面上項(xiàng)目，基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合項(xiàng)目，湖南省杰出青年基金，湖南省重點(diǎn)研發(fā)等一系列項(xiàng)目。

以第一作者/通訊作者在Nature, Nat. Chem., Nat. Commun.(6), PNAS, JACS(5), Angew. Chem.(14), Adv. Mater.(4), EST(2)等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，他引超過(guò)27000次，h-因子為83。

主要研究方向?yàn)楦咝阅墉h(huán)境催化材料及器件以及機(jī)理研究，具體包括：

1. 高性能環(huán)境催化材料設(shè)計(jì)

2. 催化動(dòng)態(tài)過(guò)程及機(jī)理研究

3. 催化器件開(kāi)發(fā)

二、申請(qǐng)條件

1.具有較好的熱、電、光等催化基礎(chǔ)；

2.科研基礎(chǔ)好，中英文寫(xiě)作能力強(qiáng)，善于溝通交流，曾發(fā)表過(guò)相關(guān)JCR一區(qū)論文；

3.身心健康，上進(jìn)心和責(zé)任心強(qiáng)，具有獨(dú)立科研能力，執(zhí)行力強(qiáng)，具有團(tuán)隊(duì)合作精神；

三、待遇

1. 薪酬待遇：學(xué)校實(shí)行分檔資助，待遇標(biāo)準(zhǔn)為18~48萬(wàn)元（含國(guó)家資助部分），團(tuán)隊(duì)為業(yè)績(jī)突出者提供績(jī)效獎(jiǎng)勵(lì)（不設(shè)上限）；

2. 科研經(jīng)費(fèi)：學(xué)校提供科研啟動(dòng)費(fèi)，團(tuán)隊(duì)提供充足經(jīng)費(fèi)支持；

3. 其他保障：享受在職職工同等的社會(huì)保險(xiǎn)、住房公積金、子女入托入學(xué)等福利待遇；

4. 職業(yè)發(fā)展：在站期間團(tuán)隊(duì)支持并推薦出國(guó)交流學(xué)習(xí)。符合學(xué)校新進(jìn)教師遴選標(biāo)準(zhǔn)，可在出站前六個(gè)月內(nèi)提出留校申請(qǐng)，其中，入選“博新計(jì)劃”及其他高層次博士后專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃或獲得“升華博士后”榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)者，出站后申請(qǐng)留校不受相關(guān)條件限制。在聘期內(nèi)鼓勵(lì)并協(xié)助申報(bào)中國(guó)博士后科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目和相關(guān)人才項(xiàng)目。

備注

1.在站期間考核條件之外取得的科研業(yè)績(jī)按學(xué)校相關(guān)文件予以獎(jiǎng)勵(lì)。

2.合格出站后，按入站當(dāng)年博士引進(jìn)政策享受安家費(fèi)、科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)等相關(guān)待遇；成績(jī)優(yōu)異者可依據(jù)業(yè)績(jī)條件按出站當(dāng)年人才引進(jìn)政策確定人才類(lèi)別并享受相應(yīng)待遇。

3.按照有關(guān)規(guī)定購(gòu)買(mǎi)社會(huì)保險(xiǎn)。

本招聘長(zhǎng)期有效，有意者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷（含學(xué)習(xí)、工作和科研經(jīng)歷），主要科研成果（如論文著作、個(gè)人獎(jiǎng)勵(lì)等）,以及導(dǎo)師推薦信等發(fā)送郵件至郵箱minliu@csu.edu.cn。