多相催化剂是极为重要的一类催化剂，在许多重要工业反应中扮演关键角色。然而，传统的湿化学合成手段在很多情况下难以做到对催化剂活性位点的结构、组成以及其周围局部环境的原子级精细调控，继而给优化催化剂性能、理解多相催化机理带来较大的挑战。原子层沉积(ALD)是一种气相催化剂合成技术，其原理是基于两种前驱体蒸汽交替进样并在载体表面上发生分子层面上的“自限制”反应，实现目标材料在载体表面上的精准沉积。利用其分子层面上的“自限制”反应特性，并通过改变沉积周期数、次序和种类等方法可以实现对催化剂活性位结构的原子级精细控制，进而为人们提供了一种催化剂“自下而上”精细可控合成的新策略。在本文中，我们总结了利用ALD方法在负载型单金属和双金属催化剂精细设计方面的进展，讨论了ALD方法在设计高效催化剂方面的特点与优势。特别地，我们总结了利用ALD方法制备单原子和双原子结构金属催化剂的方法与策略。此外，我们总结了利用氧化物可控沉积精准调控金属催化活性中心周围的微环境，从而实现提升催化剂活性、选择性和稳定性的方法。最后我们展望了ALD技术在催化剂制备领域中应用的潜力。

Cu/ZnO/Al₂O₃是工业中最广泛使用的甲醇合成催化剂。然而该催化反应的活性位点和机理目前仍存争议。H₂作为反应物之一，研究其在ZnO表面的活化和解离对于弄清甲醇合成反应的催化机理具有重要的帮助。本工作利用近常压光电子能谱(APXPS)和扫描隧道显微镜(STM)原位研究了H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的活化和解离。APXPS结果表明：在0.3 mbar (1 mbar = 100 Pa)的H₂气氛中，室温下ZnO表面形成羟基(OH)吸附物种。STM实验发现通入H₂后ZnO表面发生了(1×1)到(2×1)的重构。上述结果和原子H在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面的吸附结果一致。然而吸附H₂O可以导致同样的现象。因此，我们还开展了H₂O在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面吸附的对比实验。结果表明：H₂气氛中ZnO表面发生0.3 eV的能带弯曲，而H₂O吸附实验中几乎观察不到能带弯曲发生。同时，热稳定性实验表明H₂气氛中ZnO表面的OH不同于H₂O解离吸附产生的OH，前者具有更高的脱附温度。因此，本工作的结果表明常温和常压下H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面发生解离吸附。这一结果和以往超高真空下未发现H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的解离不同，说明H₂的活化是一个压力依赖过程。

在分子尺度上构建光驱动的人工分子机器是超分子化学研究的一个热点。偶氮苯是一类具有双稳态的光致开关分子，能够完成高效、可逆的反式(E)$\to $顺式(Z)的光致异构化过程，因而可以作为人工分子机器的功能单元。本文采用密度泛函理论(DFT)和反应分子动力学(RMD)模拟，研究了含偶氮苯封端基团的互锁型超分子体系中冠醚主体与二烷基铵客体间结合强度，模拟了偶氮苯Z$\to $E异构化反应的动态过程，讨论了异构化反应对主客体分子构象的影响。在偶氮苯封端基团通过发生Z$\to $E异构化实现体系单向可控运动时，较强的主-客体间结合能力是保证互锁型超分子体系稳定的必要前提。顺式客体与主体大环氢键相互作用比反式客体更强，因此顺式复合异构体具有比反式异构体更大的结合强度。偶氮苯基团发生E$\to $Z光致异构化引入位阻效应，使得顺式复合物只能从环戊基准封端处进行脱环。主客体复合过程对偶氮苯基团的几何结构没有明显影响。偶氮苯光致异构化发生的速度快于客体脱环的速度是实现单向运动的动力学上的必要条件。在异构化反应后的500 ps内，大环会经历一个明显的结构驰豫过程。冠醚大环主体的柔性构象有助于实现在偶氮苯光致异构化发生过程中主客体间持续稳定的结合。各种超分子体系中，尽管客体组成各不相同，但是包含相似的主客体识别位点的超分子体系具有相似的结合能，显示了机械互锁型复合体系中各种功能性构建单元间主客体相互作用具有正交性。引入双稳态的偶氮苯功能基团对客体其他部分的几何结构影响很小。理论计算结果有助于理性设计更复杂的刺激响应性人工分子机器。

我们对sp + sp²杂化的碳同素异形体—石墨炔，以及锡烯等层状体系的电子结构、形变势、电声耦合和电荷输运性质进行了回顾。有些二维石墨炔具有类似石墨烯的狄拉克锥，同时石墨炔电子结构可通过将其沿不同方向裁剪成不同宽度一维纳米带来调节。采用玻尔兹曼输运方程和形变势近似，结合第一性原理计算，我们预测石墨炔电荷载流子室温迁移率可达10⁴–10⁵ cm²·V^-1·s^-1，尤其6, 6, 12-石墨炔，因有两个狄拉克锥及比石墨烯弱的电声耦合，其室温迁移率甚至能高于石墨烯。因此具有独特电子结构和高迁移率的石墨炔能成为继石墨烯之后未来的纳米电子器件材料。此外我们着重分析了形变势方法的适用性：密度泛函微扰理论和瓦尼尔插值技术能精确计算任意波矢和模式的声子对载流子散射，该方法在石墨烯和石墨炔上的运用表明二维平面碳材料中对载流子输运起主导作用的是长波长纵声学声子散射，因而形变势方法是适用的；但通过对锡烯等二维非平面buckling结构的材料声子散射和迁移率的计算，发现此类不具备σ_h对称性的材料有较强的面外声子散射和横声学声子谷间散射，使得常用的形变势失效。

石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景。近几年石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果，并迅速成为了碳材料研究中的新领域。石墨炔中炔键单元的高活性为其化学修饰与掺杂提供了良好的平台。在这篇综述中，我们将重点介绍石墨炔的非金属杂原子掺杂、金属原子修饰以及表面改性，并深入探讨掺杂与衍生化对石墨炔材料的电子性质的影响及其对光电化学催化性能的协同增强。

In this perspective, we review the chemical information encoded in electron density and other ingredients used in semilocal functionals. This information is usually looked at from the functional point of view: the exchange density or the enhancement factor are discussed in terms of the reduced density gradient. However, what parts of a molecule do these 3D functions represent? We look at these quantities in real space, aiming to understand the electronic structure information they encode and provide an insight from the quantum chemical topology (QCT). Generalized gradient approximations (GGAs) provide information about the presence of chemical interactions, whereas meta-GGAs can differentiate between the different bonding types. By merging these two techniques, we show new insight into the failures of semilocal functionals owing to three main errors: fractional charges, fractional spins, and non-covalent interactions. We build on simple models. We also analyze the delocalization error in hydrogen chains, showing the ability of QCT to reveal the delocalization error introduced by semilocal functionals. Then, we show how the analysis of localization can help understand the fractional spin error in alkali atoms, and how it can be used to correct it. Finally, we show that the poor description of GGAs of isodesmic reactions in alkanes is due to 1, 3-interactions.

石墨炔是一种新型碳的同素异形体，是由sp和sp²两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。其中，石墨双炔是石墨炔家族中重要的一员，其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性，使之在电化学、光催化、非线性光学、电子学等诸多领域优势显著，因此，发展石墨双炔的制备方法有着重要的意义。本文将首先介绍石墨双炔的结构，随后主要介绍石墨双炔合成方法的研究进展，包括有机全合成、表面在位化学反应和溶液相聚合反应等几个方面，其中溶液相聚合的方法取得了较为突出的进展。在本文的最后，主要探讨了石墨双炔合成方法中的挑战与机遇，并对合成方法的未来进行了展望。

Recent progress in the research of atomically-precise metal nanoclusters has identified a series of exceptionally stable nanoclusters with specific chemical compositions. Structural determination on such “magic size” nanoclusters revealed a variety of unique structures such as decahedron, icosahedron, as well as hexagonal close packing (hcp) and body-centered cubic (bcc) packing arrangements in gold nanoclusters, which are largely different from the face-centered cubic (fcc) structure in conventional gold nanoparticles. The characteristic geometrical structures enable the nanoclusters to exhibit interesting properties, and these properties are in close correlation with their atomic structures according to the recent studies. Experimental and theoretical analyses have been applied in the structural identification aiming to clarify the universal principle in the structural evolution of nanoclusters. In this mini-review, we summarize recent studies on periodic structural evolution of fcc-based gold nanoclusters protected by thiolates. A series of nanoclusters exhibit one-dimensional growth along the [001] direction in a layer-by-layer manner from Au₂₈(TBBT)₂₀ to Au₃₆(TBBT)₂₄, Au₄₄(TBBT)₂₈, and to Au₅₂(TBBT)₃₂ (TBBT: 4-tert-butylbenzenethiolate). The optical properties of these nanoclusters also evolve periodically based on steady-state and ultrafast spectroscopy. In addition, two-dimensional growth from Au₄₄(TBBT)₂₈ toward both [100] and [010] directions leads to the Au₉₂(TBBT)₄₄ nanocluster, and the recently reported Au₅₂(PET)₃₂ (PET: 2-phenylethanethiol) also follows this growth pattern with partial removal of the layer. Theoretical predictions of relevant fcc nanoclusters include Au₆₀(SCH₃)₃₆, Au₆₈(SCH₃)₄₀, Au₇₆(SCH₃)₄₄, etc, for the continuation of 1D growth pattern, as well as Au₆₈(SR)₃₆ mediating the 2D growth pattern from Au₄₄(TBBT)₂₈ to Au₉₂(TBBT)₄₄. Overall, this mini-review provides guidelines on the rules of structural evolution of fcc gold nanoclusters based on 1D, 2D and 3D growth patterns.

针对铜表面化学反应，我们发展了一套铜-碳体系的密度泛函紧束缚(DFTB)参数。测试结果表明这套参数可以很好的描述吸附铜或碳原子前后铜表面的几何结构和能量。基于这套参数，我们对Cu(111)表面的碳二聚化过程进行了分子模拟研究。即使在高温下，直接的分子动力学模拟也很难观察到碳二聚体的形成。这是因为高温下铜表面显著的结构弛豫一定程度上阻止了二聚化。为了研究高温下铜表面碳二聚化的机理，我们进行了赝动力学模拟。发现在二聚化的过程中，碳原子形成C-Cu-C桥状结构以后，会绕中间Cu原子转动，最后形成碳二聚体。1300 K下碳二聚化的自由能垒约0.9 eV。

本文利用分子动力学模拟研究了外电场对咪唑类离子液体1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(EMIMPF₆)从0到4000 cm⁻¹范围内振动谱的影响。研究结果表明，在没有外电场时利用分子动力学模拟计算得到的从400到4000 cm⁻¹的振动带可以重现实验测得的谱。当外电场从0到9 V·nm⁻¹变化时，在50.0和199.8 cm⁻¹处的振动带强度持续增强然后趋于饱和，而从400到4000 cm⁻¹的振动带强度明显减弱并最终消失。此外，在外电场从0变到2 V·nm⁻¹时，50.0 cm⁻¹的振动带红移了16.7 cm⁻¹，然后当外电场变化到3 V·nm⁻¹及更大时，该振动带红移增大到33.3 cm⁻¹。在外电场从0变到3 V·nm⁻¹时，3396.6 cm⁻¹的振动带红移大约16.7 cm⁻¹,然后当外电场增大到4 V·nm⁻¹甚至更大时，该振动带红移33.3 cm⁻¹,但是从0到4000 cm⁻¹的其他振动带的位置几乎没有变化。基于对模拟结果和先前报道文献的进一步分析，对于50.0 cm⁻¹的振动带，增加的外电场增强了阳离子和阴离子之间的极性使阳离子和阴离子间的偶极矩增大，因此该振动带的强度不断增大然后达到饱和。对于199.8 cm⁻¹的振动带增加的外电场增强了乙基链的扭转，使该振动带的强度增大并达到饱和。对于从400到4000 cm⁻¹的其他振动带，增加的外电场使EMIMPF₆中的阳离子和阴离子的取向更一致，并且可以推测这种更一致的取向可能会削弱振动带的强度甚至使它们消失。50.0 cm⁻¹处振动带的红移可能是由于外电场破坏了EMIMPF₆内部的静电场分布进而减弱了阳离子和阴离子间的相互作用。3396.6 cm⁻¹处振动带的红移可归功于外电场减弱了氮原子与阳离子咪唑环上酸性氢原子间形成的氢键的拉伸振动。对于其他的振动带，由于官能团固有的拉伸、弯曲、转动振动不受外电场的影响，外电场没有改变振动带的位置。