国家自然科学基金委员会化学学部“十三五”第四批重大项目指南

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化学科学部重大项目指南

2019年化学科学部拟资助8个重大项目。项目申请人申请的直接费用预算不得超过2000万元/项。申请书的附注说明选择相关重大项目名称，例如“细胞中生物大分子结构与相互作用的谱学测量”。



“细胞中生物大分子结构与相互作用的谱学测量”重大项目指南


细胞是构成生命结构的基本单元，蛋白质和核酸等分子是细胞生物功能的主要承载者和执行者。蛋白质和核酸的功能由其三维结构决定，并通过相互作用来实现。功能生物大分子及其复合物的三维结构可以为认识生命活动的本质、阐述病理生理发生发展的分子机制和研发新药提供结构基础等核心数据。得益于X-晶体衍射，低温电子显微镜和核磁共振（NMR）等主流结构分析化学/结构生物学技术和方法的长足发展，已经有超过15万个蛋白质等功能生物大分子及复合物的三维结构获得解析。近年来细胞中核磁共振（in-cell NMR）方法的迅速发展，使在活细胞中解析的蛋白质三维结构成为可能。然而，现有结构几乎全部是在非细胞环境下获得的。越来越多的数据表明，多结构域和非球形蛋白质的三维结构和功能与细胞微环境密切相关或受后者调控。因此，发展细胞中功能大分子结构分析化学/结构生物学技术和方法，在接近生理状态的条件下探索生命活动的分子过程本质，是生物分析化学面临的新挑战和新机遇。
本重大项目拟发展用于测定活细胞中蛋白质、核酸等功能生物分子空间分布、含量和变化、三维结构和相互作用，以及细胞微环境对其影响的新技术新方法，取得一系列具原创性和重要影响的成果，为探索生命过程和重大疾病发生发展的分子机制提供原子分辨的结构和相互作用信息，以及技术支撑。催生和引领细胞结构分析化学和细胞结构生物学等新学科方向的诞生和发展。
一、科学目标
本项目服务于“健康中国”国家战略，针对生命过程的分子基础和神经退行性疾病发生发展的分子机制，以及生物分子结构和相互作用研究的前沿发展趋势，在细胞层次上开展原子分辨的蛋白质和核酸的三维结构、相互作用和细胞微环境效应的新技术新方法的创新研究；在原子水平上研究细胞微环境对生物功能大分子结构、动态行为和相互作用的影响；探测并阐明生物功能大分子在细胞中的空间定位、含量和变化；探索这些信息与重大疾病（如神经退行性疾病）之间的内在关系。把生物分子功能与三维结构的关系研究，以及生命过程和疾病发生发展的分子机制研究，从非细胞环境推进到活细胞环境。催生和引领细胞结构分析化学和细胞结构生物学等新学科方向的诞生和发展。
二、研究内容
依据上述科学目标，本项目拟设置四个既相互关联，又相对独立的研究内容。在实施中将首选与神经退行性疾病相关的重要目标蛋白质，建立研究其在活细胞内定位、含量和变化、结构和相互作用的新技术和新方法，为认知神经退行性病发生发展的分子机制提供研究手段和基础数据。
（一）细胞中功能大分子三维结构的高效测定方法。
建立基于NMR的细胞中功能生物大分子（蛋白质、核酸）原子分辨三维结构的高效测定方法。针对细胞内NMR背景干扰严重、信号增宽和寿命短的特点，发展快速、谱线窄化、抗干扰的NMR方法和相应的原子标记（免标记）技术和方法，以及结构参数（核间距、化学键二面角等）的快速获取和信号归属方法；发展顺磁标记方法，用于探测功能分子构象动态和相互作用界面，获取长程距离信息；重点发展针对细胞内多结构域蛋白质、蛋白质复合物及非经典核酸（如G四联体）的结构解析方法。
（二）细胞中原子分辨的功能分子构象变化、相互作用和微环境效应的测定方法。
建立在细胞中测定原子分辨的功能生物大分子构象变化和相互作用的新技术和新方法，并研究细胞微环境对结构和功能的影响。针对细胞中生物分子间复杂的（弱）相互作用、拥挤和限域等微环境效应，发展基于NMR的具有原子分辨的分析方法，用于表征功能生物大分子的构象变化和相互作用，及其所受细胞微环境的影响；发展含有高灵敏（如19F）原子的天然（非天然）氨基酸/碱基的功能分子定点标记方法和相应的NMR检测方法；实现活细胞内多结构域蛋白质和蛋白质复合物三维结构变化的快速测量。
（三）细胞中疾病相关蛋白质的发现和原位相互作用的分析方法。
建立基于液相色谱-质谱联用（LC-MS）等技术的细胞中蛋白质的深度覆盖、精准和规模化定量，以及原位相互作用的分析方法，用于筛选发现与神经退行性疾病相关的蛋白质；针对细胞异质性问题，发展单细胞中蛋白质的精准定量方法；定量表征蛋白质等生物大分子对拥挤效应和弱相互作用的贡献；研制新型交联剂，发展在亚分子（残基）水平上研究细胞内蛋白质结构和相互作用分析新方法，实现细胞内蛋白质复合体时空动态变化的深度解析。
（四）细胞中功能分子的高时空分辨识别和精准定位方法。
发展和完善靶向生物功能分子的高特异性和可视化探针筛选技术和方法，实现细胞中神经退行性疾病相关蛋白质等的精确识别和空间定位；以生物功能分子的三维结构为基础，开发适合于探测活细胞中功能分子间相互作用的高灵敏荧光和磁共振成像造影剂和新型功能化核酸探针，建立在分子水平上测量复杂网络或多条通路中的蛋白质相互作用的新方法。



“甲醇及其耦合反应催化原理及新过程应用”重大项目指南


甲醇是联系煤化工、石油化工和精细化工之间的桥梁，是多种重要有机化学品的原料。深入认识甲醇催化转化反应机理和选择性控制原理能极大促进相关产业技术升级和新技术开发。本项目拟围绕催化剂、反应机理和选择性控制原理、重要甲醇耦合反应等涉及的重要关键科学问题开展工作，构建甲醇催化转化新工艺及其过程，为工业应用奠定科学基础。
一、科学目标
针对甲醇及其耦合反应，结合催化剂性质的精确控制与反应活性物种的原位探测，通过催化材料的精确设计，实现酸性、微结构、形貌与界面性质调控；全面理解分子筛催化剂上甲醇转化的反应历程，解析碳碳键生成和催化剂失活的反应机理，研究出延长催化剂寿命以及实现催化剂再生的有效手段；开发甲醇及其耦合反应制备烃类和含氧化合物的催化新过程，引领该领域的发展。
二、研究内容
（一）分子筛催化剂的精准控制合成。
围绕甲醇及其耦合反应，发展分子筛催化剂的合成方法，调控晶体形貌，同时兼顾分子筛材料的良好结晶度和适宜酸性；实现对分子筛形貌的理性调控，强化反应过程的扩散传质；研究分子筛合成机理。
（二）甲醇转化的反应机理研究。
利用时间分辨功能的原位研究技术和瞬态研究方法，实现对甲醇转化过程催化剂表面和反应过程的动态监测；结合理论模拟，完善甲醇转化反应机理，描绘真实完整的反应历程；结合二次反应和耦合反应体系研究， 建立更为完善的甲醇转化反应网络，并提出反应网络调控策略；探索结合反应控制和扩散控制的分子筛催化原理。
（三）甲醇与烃类耦合反应。
通过甲醇转化的活性物种活化转化石脑油中烷烃原料；发展甲醇-芳烃耦合制取PX并联产乙烯的反应过程，实现甲苯甲基化反应的同时引导甲醇转化为乙烯为主导产物的MTO反应；在甲醇转化体系中引入CO开展耦合反应，改变反应物的C/H比，引导甲醇转化产物由低碳烯烃向芳烃转变。
（四）甲醇与含氧化合物耦合。
开展用于二甲醚羰基化反应的催化剂研究，实现具有特定结构的分子筛的可控合成，深入研究分子筛孔道尺寸效应与酸中心空间分布对分子筛羰基化反应的影响；探索二甲醚羰基化反应机理与失活机理；构筑金属高度分散的氧化物，实现金属-氧化物界面最大化；结合分子筛孔道尺寸效应与酸性，建立多位点微化学环境与活性关系。

“面向高端化学品制造的微化工科学基础”重大项目指南


高端化学品具有高性能的应用属性和化学组成与空间结构独特的自然属性。高端化学品的开发和制造是推动社会高质量、可持续发展的基础。微化工技术以微尺度流动、传递和反应过程为基础，有能力精准解析和调控复杂物质转化过程，是高端化学品制造的有力工具。本项目紧扣若干重要高端化学品高效规模化制造的主题，研究微化工过程的尺度和界面效应及其动力学特性、微化工系统的构建原理和放大方法两大关键科学问题，丰富化学工程学科基础理论，突破微化工技术在过程耦合与调控机制、微结构设备放大和工艺优化集成方面的瓶颈，为化学工业转型升级、高端化学品制造技术和装备创新提供基础和示范。
一、科学目标
项目重点针对高能化学品、高端染颜料等为代表的精细化学品，芳纶、卤化丁基橡胶等为代表的高性能聚合物产品，药物载体、标准颗粒、稀土抛光材料等为代表高度均一单分散颗粒产品等三类高端化学品的规模化精准制造，围绕微尺度受限空间内分子结构、凝聚态结构的形成与演变规律，从物理、化学、化工、材料等多学科交叉融合的角度开展深入研究，揭示微通道内复杂多相流的形成机制及其演变规律，认识界面现象的时空依赖性及其与流动、传递和反应的相互作用，解析和调控物性变化对转化过程的影响，阐明微时空尺度下关联过程的耦合与协调机制，提出微结构元件的放大和集成策略，创制若干典型规模化精准制造高端化学品的微化工技术与系统，形成一支在微化工基础理论研究和技术开发方面具有国际一流水平的研究队伍，显著提升我国高端化学品制造领域的创新能力和竞争力。
二、研究内容
（一）微时空尺度下多相流动基本规律及其调控机制。
重点针对高端化学品制备过程涉及的微通道内液滴（气泡）生成、聚并和破裂规律开展研究。观测体系内界面形成和演变、微通道内流场和浓度（温度）场变化规律，探明多相微分散体系相界面形态和结构的形成机制，掌握复杂流型和分散尺度的调控规律，探究微分散流型、分撒尺度和体系物性参数等因素对多相微分散热质传递的影响规律，测量微尺度下热质传递动力学，揭示微通道内气液和液液热质传递与流动相耦合的微观机理，建立多相微流动过程数学模型和计算机模拟方法，揭示微化工过程的尺度效应和界面效应。
（二）微时空尺度下复杂反应的历程和调控规律。
以典型高端化学品制备体系涉及的典型复杂反应网络作为研究对象，建立针对主要反应本征规律的一般性研究方法，将受限空间内微尺度流动和传递模型与本征动力学模型相结合，发展考虑物种相互转化和空间分布的动力学模型化方法，探索抑制平行竞争或顺序副反应发生的反应条件，通过在微时空尺度下主动调控微分散体系组成和结构来提高主反应效率和选择性，揭示特定分子结构产品导向的微尺度传递与反应协同机制，为典型高端化学品微化工技术的开发提供理论基础。
（三）微时空尺度下聚集态的形成机制和动态演变规律。
对于以聚集态形式从制备条件下获得的高端化学品，如稀土抛光材料、药物载体、标准颗粒等，其生产过程往往涉及成核、生长、团聚、熟化等相变及相转变过程，这些过程对体系的传递和反应性能有明确要求。以研究微尺度下聚集态的形成与演变规律为重要切入点，探索保证聚集态稳定及一致性的环境条件和时间窗口，了解微时空尺度下反应转化导致的物性、反应机制及动力学特性的变化规律，发展聚集态结构和组成的调控方法，建立考虑这些变化的表观转化动力学模型，为实现材料组成和结构的可控调节提供理论基础。
（四）微化工系统的构建原理和放大方法。
探索基于微化工工艺将微设备与微设备、微设备与常规设备以适当的方式组合形成微化工系统，研究系统内单元与单元之间的衔接原则，分析微化工单元的稳定性对于系统稳定性的影响规律，提出保证系统稳定运行的基本原则；系统考察微结构元件及其尺寸对混合和分散性能的影响规律，对高处理量下的多相流动特性进行量化分析，确立微化工装置放大和设计准则，为构建工业化微化工系统提供指导，在3-5个高端化学品制造中实现微化工技术应用示范的突破。


“药物绿色制备的关键反应和策略”重大项目指南


我国原料药生产在产能和出口规模方面都位居全球第一，但是在发展具有自主知识产权的先进原料药制备技术方面相对落后。本重大项目针对一些药物生产中常用的不对称催化反应和偶联反应，发展高效和便宜易得的配体和催化剂；对于一些结构复杂、合成难度大的药物分子发展简洁、经济高效的合成路线。在此基础上发展具有自己的知识产权的低成本、高效率和符合绿色制造要求的药物先进制备工艺；与企业合作进行相关制造工艺的产业化，使相关企业在与国际同行的竞争中处于优势地位，为我国的人口健康提供相对廉价的药品。
一、科学目标
针对原料药和中间体合成，发展一批实用、普适性强的关键合成反应，为发展原料药和中间体的高效合成路线提供新的思路。针对一些结构复杂和需求量大的重要药物，发展高效催化方法和简洁的合成路线，并以此为基础开发出一些低成本、低排放、高效率的先进制备工艺，使相关药物的生产工艺达到国际领先水平，实现一批重要药物先进工艺的产业化。
二、研究内容
（一）关键合成反应的研究。
针对一些不对称氢化反应、碳-碳键形成反应、价廉易得的芳基卤代物的偶联反应等，发展新颖骨架、结构可调和制备方便的新型催化剂；探索使用非贵金属和廉价配体的可行性，并通过探索和认识催化剂的结构与活性和反应效率以及选择性的关系，实现催化反应的高效率和高选择性，从机制上认识和阐明催化反应过程中选择性控制以及传递的规律，设计合成更为高效、高选择性氢化、氢甲酰化和偶联反应的通用催化剂。为制药工业提供绿色、经济、高效的催化技术。
（二）先进药物合成工艺的研究。
针对一些需求量大的药物，利用高通量筛选和快速评价体系寻找并开发新型催化体系以解决其关键中间体的高效、经济可行的催化合成；同时根据现代化的绿色工艺标准对整条合成路线中各个步骤进行系统优化，最终发展出成本更低和更环保的生产工艺。
（三）重要药物分子高效、简洁的合成路线的研究。
针对一些结构复杂，合成难度大的药物分子，发展合成步骤短、产率高、可重复性强、使用廉价原料和试剂的创新合成路线。根据产业化的要求进一步优化反应过程，尽可能利用价廉的试剂来代替价格高的试剂，建立适合大规模生产的分离条件。在此基础和企业联合进行中试放大的研究，并根据中试中发现的问题进行合成路线的进一步优化，达到能够产业化的标准。


“耐极端环境高性能氟醚橡胶的制备科学”重大项目指南


含氟橡胶是分子主链或侧链碳原子上含有氟原子的一类高分子弹性材料。由于它具有独特优异的化学稳定性和热稳定性，含氟橡胶作为耐苛刻环境的密封材料已在航天、航空、汽车、石油、化工和电子等领域得到广泛应用。本项目针对高新技术产业对耐极端环境高性能氟醚橡胶的迫切需求，通过开展“耐低温（-30℃）和强氧化性介质全氟醚橡胶”及“耐高温（325℃）和化学介质全氟醚橡胶”两种全氟醚橡胶的制备科学研究，解决高性能氟醚橡胶制备的如下关键科学问题：选择性碳-氟键的形成与断裂过程、以及含氟碳-碳键形成过程的可控性；含氟单体的聚合反应特性与规律；氟醚橡胶独特性能形成的原因及其结构-性能关系；氟醚橡胶材料加工（硫化）的独特规律，为我国含氟有机材料的发展提供科学基础和技术支撑。
一、科学目标
本项目针对高性能氟醚橡胶制备中的关键科学问题，从耐极端环境高性能氟醚橡胶的整个研究链入手，分子设计与合成新型含氟单体，发展新型氟化学反应和试剂，探索含氟单体聚合过程中的特殊规律，开展氟醚橡胶的硫化及应用研究，揭示分子层面氟醚橡胶结构与性能关系，建立新的制备技术及表征方法，制备出我国急需发展的两种耐极端环境的高性能氟醚橡胶，促进我国有机氟化学和含氟材料学科的发展。
二、研究内容
（一）全氟醚橡胶分子结构设计和单体的合成。
开展“耐低温（-30℃）和强氧化性介质全氟醚橡胶”和“耐高温（325℃）和化学介质全氟醚橡胶”两种全氟醚橡胶的分子结构设计；根据设计的分子结构，开展含氟单体和硫化点单体的合成。
（二）全氟醚生胶的合成：自由基乳液共聚合反应。
开展含氟单体的自由基乳液共聚合反应研究，制备出耐低温和耐高温（325℃）的全氟醚生胶，研究气液两相含氟单体的共聚合反应规律。
（三）全氟醚生胶结构表征及性能测试。
开展全氟醚生胶的组份、结构和分子序列排布对生胶性能的影响研究，探索氟醚橡胶弹性形变过程中的链构象变化情况，构建宏观形变与微观分子运动之间的内在联系，开展全氟醚生胶的性能测试。
（四）全氟醚生胶硫化（全氟醚混炼胶制备）。
开展补强填料的选择和表面改性研究，探索填料对密封胶性能的影响，选择合适的硫化体系，研究硫化体系与胶料各组份的匹配性及对全氟醚橡胶性能的影响。
（五）全氟醚橡胶综合性能评价及应用研究。
开展全氟醚橡胶基本物理性能、常规力学性能、压缩回弹性能、环境适应性、介质相容性、热氧老化和贮存老化性能等的评价与表征，开展全氟醚橡胶密封件在典型应用环境下的密封性能测试，进一步开展耐低温（-30℃）全氟醚橡胶和耐高温（325℃）全氟醚橡胶的应用考核。

“催组装研究方法与理论基础”重大项目指南


分子组装是构筑分子以上层次的新物质的主要手段，亟需发展新型高效的分子组装调控手段。催组装是近年来提出的调控分子组装的新思路，通过设计合成催组剂，对组装过程进行高效精准的调控。不同于强调组装基元设计与合成的传统分子组装策略，催组装在多级复杂组装体系的构筑上优势更明显，因而在创造新功能材料和深刻理解生命体组装上具有重大意义。本项目将建立催组装的整体框架和研究方法，在生物分子组装、小分子组装、多相组装及非平衡态组装等多个方向上发展和研究催组装体系，探究分子组装的理论基础，发展针对组装过程的表征技术。催组装有望成为现有组装研究方法和理论进一步发展的突破口，为构筑多级复杂组装功能体系和探究生命体组装提供新思路、新方法和新技术。
一、科学目标
发展可实现多组分、多层次、多功能的复杂分子系统的可控构筑的新方法和理论，系统构建催组装的整体框架，形成在国际分子组装领域具有特色和优势的新方向。通过多学科交叉，研究典型催组装体系，建立催组装研究方法；揭示生命体内催组装现象的机制，构筑生物大分子催组装功能体系，在多相组装和非平衡态组装中发展催组装体系；发展针对组装过程的表征方法体系和理论方法体系，并初步构建具一定普适性的分子组装理论，破解组装“黑箱”过程的物理图像。
二、研究内容
（一）催组装研究框架和方法。
催组装涉及多位点弱相互作用的协同，其研究方法和物理图像不同于催化。通过多学科交叉研究典型催组装体系，设计合成催组剂，采用高分辨实时原位的表征手段表征组装中间体和动力学，利用理论计算系统研究催组剂作用机理。结合实验、表征、理论全面认识催组装体系的物理化学图像，建立不同于催化的新模型和理论，将关注点从组装基元结构设计与合成转移到对组装全局的研究和调控上，系统构建催组装研究的整体框架和方法。
（二）生命中的催组装体系。
系统梳理生命过程中的催组装现象，选取若干模型体系进行详细研究，从中提炼催组装的理论基础和物理化学原理。利用单分子荧光技术、单分子力谱技术、原子力显微镜以及冷冻电镜等多种技术，重点研究组蛋白分子伴侣作为催组剂调控组装和解组装的动态过程及其分子机制，例如揭示组蛋白伴侣组装和解组装染色质和核小体的物理化学本质。探索构建复杂生命体系的催组装理论，初步阐明催组装在一些生命过程的调控作用机制。
（三）人工设计的生物大分子催组装体系。
利用DNA、RNA、蛋白质等作为组装基元，基于生物分子相互作用进行人工设计，发展出生物大分子催组装体系。探索以生物相关小分子、核酸、蛋白质等作为催组剂，通过对生物分子相互作用过程中次级键的调控与剪裁，设计程序可控的仿生催组装体系，并发展出针对这些催组装体系的生物分子动态结构表征和活性测定新方法。构建基于催组装体系的功能器件和复杂网络，将其应用到生物分析器件的构建、纳米结构的构筑、细胞基因操控的活性调控等方向上。
（四）基于小分子的多相及非平衡态催组装。
在气固、液固等界面构筑并研究基于小分子的多相催组装体系，设计催组剂对组装路径和组装产物进行调控，利用扫描探针显微镜等研究表面组装过程动力学、中间体及产物。借鉴生命体系耗散态组装的特点，设计并构建化学能、光能、电能等驱动的仿生非平衡态小分子催组装体系，研究小分子相分离过程机制及分相调控小分子组装机制，进而深入研究外场对催组剂及组装体系的调控，从非平衡态统计热力学、系统论和控制论角度理解非平衡态催组装体系。
（五）分子组装理论基础及表征技术。
发展针对分子组装理论的新型计算方法及表征技术以支撑催组装研究方法的发展。发展更有效的泛函和更准确的分子力场准确描述弱相互作用，发展新的多尺度动力学速率理论描述组装过程动力学，发展有效的非平衡统计理论和模拟方法描述非平衡态组装过程。发展实时原位高分辨的针对多位点弱相互作用协同的表征手段，对组装过程的动力学进行表征。实验、表征和理论有机结合，破解组装“黑箱”过程的物理化学图像。


“分子铁电体的化学设计与铁性耦合”重大项目指南


分子铁电体可广泛应用于新一代可穿戴器件、柔性器件，如何从分子水平理性设计多功能化的高效分子铁电体体系是推动其实用化进程的基础，也是该领域亟待解决的关键科学问题。本项目将以材料结构基元为基础，在分子水平进行剪裁与修饰，实现铁电极轴特性的调控和极化反转性能的优化，从而构筑多极轴铁电薄膜及其器件。通过铁电性、铁弹性、铁磁性等多种铁性与光电功能特性的调制与耦合，发展多功能分子铁电材料体系，阐明相关作用机制，取得一系列具有重要影响的原创性研究成果，引领分子铁电领域的发展。
一、科学目标
针对分子铁电体设计和性能优化面临的挑战，从朗道唯象理论、居里原理、诺伊曼原理入手，发展分子铁电体的普适设计策略与化学合成方法，构筑具备高相变温度和高饱和极化的新型多功能性分子铁电材料；通过对铁电极轴特性的调控和薄膜器件的构筑，实现铁电性和铁弹性、铁磁性等其它铁性的耦合，并进一步引入有实用潜力的光电功能特性；结合实验表征和理论计算，揭示分子铁电的本征规律及科学机制，探索涡旋畴等特殊的铁电拓扑态性质，为在信息存储、能量转换、传感、光电器件等高科技领域的规模化应用奠定基础。
二、研究内容
（一）高相变温度、大饱和极化的多极轴分子铁电体的构筑和合成。
以容易产生结构相变的球形分子为基础，通过不对称性、手性的引入进行剪裁或修饰，诱导化合物形成低对称性的极性铁电相，将铁电体的研究与探寻从传统的试错向理性设计推进。
（二）含氟的多极轴分子铁电体的设计及其薄膜研究。
通过氢、氟等元素取代进行修饰与剪裁，调控分子铁电体相变前后对称元素与铁电极轴特性；发展多轴分子铁电薄膜制备的新方法，调控薄膜聚集形态，探索分子铁电薄膜制备、生长的一般性规律；最终获得具有高结晶态、低漏电流、厚度可控的分子铁电薄膜，为其在信息存储、能量转化等领域的应用打下坚实基础。
（三）分子钙钛矿铁电体的铁性调制与耦合。
基于结构包容性极强的分子钙钛矿铁电体系，通过极化、应变和磁化等序参量的耦合引入铁弹性、铁磁性等功能，获得分子多铁材料。
（四）分子铁电多功能材料的器件应用与机理探索。
利用化学自组装、配位化学等手段，在分子铁电材料体系（可包含单分子、自由基、钙钛矿结构等）中引入光电等功能特性，结合实验与计算手段，研究涡旋畴等铁电拓扑态性质和分子铁电体系中极化翻转、畴壁运动等动力学特性，揭示各种性质的形成机制和规律，指导多功能器件的设计与发展。


“面向高效能量/物质转化的新型电化学界面基础研究”重大项目指南


在现代电化学技术中，电化学界面发生了很大变化，电解质更多的是全固态和半固态，而非传统的液态。这些新型界面的微观结构、动态演化规律以及构效关系的深入认识，将在很大程度上重新打造电化学能量与物质转化的科学基础，并将直接影响相关技术未来发展的走向。本重大项目集成电化学、理论化学、谱学和材料化学等多个学科的科学家进行联合攻关。聚焦于“电极/聚电解质”界面这一牵涉最广的新型电化学界面，深入研究其微观特性、构筑方法与调控规律，并针对碱性膜燃料电池和CO2电还原两个代表性的电化学能量/物质转化应用开展原理性创新研究，以期取得一系列具有重要影响和自主知识产权的成果。
一、科学目标
聚焦于“电极/聚电解质”新型电化学界面，深入剖析其微观结构、极化行为和动态演化规律。在此基础上，集中突破以碱性氢氧化非贵金属催化剂和以CO2电还原制乙烯为代表的电化学能量/物质转化难题。发展原创性电催化理论，形成一支在国际上有重要影响的研究队伍，使我国在新一代燃料电池和电化学碳循环领域的研究达到国际领先水平。
二、研究内容
本项目围绕“电极/聚电解质”界面结构、表面化学场耦合电催化、电极多级有序结构构筑三个重要科学问题，着重开展下列四个方面的研究：
（一）理论计算与界面模拟。
采用多尺度理论计算模拟研究“电极/聚电解质”界面的微观结构与极化特性。发展表面化学场耦合电催化定量理论。研究碱性氢氧化反应与CO2还原反应的电催化机理。
（二）原位谱学与反应机制。
建立适用于“电极/聚电解质”界面研究的原位谱学方法，研究界面动态演化规律，观测表面化学场对反应物分子的活化作用，获取电催化反应中间体信息。
（三）界面结构与催化性能。
研究电极表面化学场和有序亲/憎水结构的新颖构筑方法，系统研究“电极/聚电解质”界面对碱性氢氧化反应和CO2还原反应的催化选择性调控规律。
（四）材料制备与器件研究。
采用现场（operando）谱学电化学方法，在器件层次上考察电化学性能与稳定性。突破碱性膜燃料电池非贵金属氢电极和CO2膜电解制乙烯难题。