“碳基能源转化利用的催化科学”重大研究计划2020年项目指南

碳基能源转化利用的催化科学重大研究计划面向碳基能源高效利用的国家重大战略需求，针对催化表界面化学所涉及的关键科学问题开展系统深入的研究。本重大研究计划注重催化剂结构、表界面特性，以及外场环境对催化剂表界面电子态的影响和调控，重点关注能源小分子高效转化相关的C-H键和C-O键的催化活化及C-C偶联等反应；创新碳基能源利用的化工过程，优化反应历程，以达到高效、环保和CO2低排放的目标；建立和发展高分辨表征手段，实现在实际催化反应条件下对反应过程进行精准表征；发展新的理论方法，实现在接近真实催化反应条件下的理论模拟和预见，为未来在分子、原子水平上对催化剂活性中心进行理性设计提供指导。

　　一、科学目标

　　本重大研究计划拟通过化学、化工、数理、材料等多学科交叉融合，针对碳基能源分子的高效转化，在催化相关的理论和实验的创新上取得突破，充分发挥和放大我国在微纳米和表界面研究领域的优势，力争在催化表界面理论研究方面形成特色；着重解决涉碳化学键催化活化、合成气高效转化和碳基小分子电催化转化等过程的关键科学问题，推动碳基能源的产业革命；造就高水平、结构合理的研究队伍，培养精于理论和实验科学研究的优秀青年学者，大力提升我国在这一领域的竞争力和国际地位。

　　二、核心科学问题

　　本计划针对碳基能源转化利用的催化科学，围绕以下三个核心科学问题展开研究：

　　（一）催化剂固体表界面局域原子和电子结构的精准设计与构建。

　　（二）碳基载能分子在表界面的选择活化和定向转化。

　　（三）催化剂固体表界面特性与环境和外场的相互作用机制及调控规律。

　　三、2020年度重点资助研究方向

　　进一步聚焦碳基能源转化利用的关键催化科学问题，针对合成气直接转化、CO2和甲烷催化转化等过程，加强理论研究并与实验相结合，注重发展和利用原位表征新技术和新方法。2020年拟在前5年资助项目的基础上，对以下方向进行集成：

　　（一）研究电催化剂和电解质的构效关系，认识相关表界面电催化反应机理，揭示电催化过程中多相多尺度作用机制和调控规律，实现CO2和CH4活化和定向转化为烯烃或其它高值化学品的高效电催化过程，并达到工业级电流密度（不小于0.5 A/cm2）。

　　（二）针对甲烷活化反应，发展催化剂表界面结构调控催化特性的新方法，认识C-H高效活化、C-C可控偶联的新机制，创制新催化剂和新反应过程，实现甲烷直接转化，高效制取高值化学品和液体燃料。

　　（三）发展理论和实验研究方法，在原子尺度上研究氧化物催化剂表界面缺陷结构的调控规律和碳基小分子的活化机理，揭示C-O和C-H等化学键活化、以及中间体形成和转化的热力学和动力学规律，系统探索和深入认识纳米限域催化和单原子催化的本质，形成化学键精准构建的催化新概念和新理论。

　　四、2020年度资助计划

　　2020年度拟资助集成项目3-4项，直接费用的平均资助强度约为1000-1500万元/项（由指导专家和评审专家组根据评议情况确定资助额度），资助期限为3年，申请书中研究期限应填写“2021年1月1日-2023年12月31日”。

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“多相反应过程中的介尺度机制及调控”重大研究计划2020年度项目指南

　过程工业涵盖能源和资源转化利用等重要基础产业，但效率低、污染重、资源浪费严重，多数过程的工艺技术开发周期长、风险和费用高，这些问题已成为可持续发展的瓶颈。多相反应是其中最普遍与最核心的过程，探索这些过程中介尺度结构的形成机理、实现其科学定量描述与定向调控已成为过程工业发展的前沿。

　　多相反应过程中的介尺度机制是指由大量单元组成的系统在个体单元与整体系统之间的尺度范围内复杂时空结构的形成与演化规律。主要包括两个层次的介尺度问题，其一，分子尺度到颗粒（包括气泡、液滴等离散单元）尺度间的材料结构或表界面时空尺度；其二，颗粒尺度到反应器尺度间形成的非均匀结构的时空尺度。本重大研究计划将阐明其机理，发展模拟计算与实验表征方法，进而建立相关模型与理论，重点揭示介尺度结构对流动-传递-反应行为的影响及其耦合规律，建立多相反应过程定量设计、优化和调控的方法，形成以介尺度科学为基础的过程工程学科新方向，服务于相关工艺和过程的开发。

　　一、科学目标

　　针对多相反应过程中的材料和反应器两个层次中普遍存在的介尺度问题，明确不同系统中介尺度结构的定义和特征，阐明多尺度过程的介尺度作用机制，寻找量化规律，建立共性理论；鼓励学科交叉，突破传统方法的局限性，解决重大工程应用中的关键问题。

　　二、核心科学问题

　　本重大研究计划将重点针对多相反应过程中介尺度行为和效应显著的气固、气液、气液固和复杂流体等系统，瞄准相关应用过程中的共性基础问题，在深入剖析现有典型工艺的基础上，对材料表界面和颗粒聚团两个介尺度问题以及它们在颗粒尺度进行流动-传递-反应耦合的规律进行研究，解决以下三个关键科学问题：

　　（一）材料及表界面介尺度结构的形成机理与反应的定向调控。

　　（二）反应器中介尺度流动-传递过程的多机制耦合与调控。

　　（三）上述两个层次间关联的理论与方法。

　　三、2020年度重点资助研究方向

　　为进一步聚焦介尺度核心科学问题，在原资助项目的基础上，本重大研究计划2020年继续进行项目集成,主要针对重大应用过程中材料/表界面层次和反应器层次的具体介尺度问题实例，发展和验证介尺度机制的基本原理，建立基于介科学原理的计算方法，解决重大应用中的瓶颈科学问题。所有集成项目须包含以下四项研究内容：

　　（一）典型过程中介尺度结构对传递和反应的影响。

　　（二）介尺度机制的形成原理、耦合效应和运行规律。

　　（三）基于介科学的模型化和计算方法。

　　（四）重大工业应用范例。

　　四、2020年度资助计划

　　2020年度拟资助集成项目1项，直接费用资助强度约为1000-1500万元/项，资助期限为1年，集成项目申请书中研究期限应填写“2021年1月1日-2021年12月31日”。资助项目数和资助经费将根据申请情况和申请项目研究工作的实际需要而定。

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“团簇构造、功能及多级演化”重大研究计划2020年度项目指南

　　团簇是介于原子/分子与宏观物质之间的多核聚集体，具有确定的原子组成和化学结构，代表了凝聚态物质的初生态，是关联宏观性质和物质微观结构的理想模型，对深刻认识和理解物质转化的规律具有重大意义。

　　一、科学目标

　　通过化学、物理、生命、材料、环境、信息等多学科交叉，发展新型团簇及其多级结构构筑的新概念、新策略、新方法和新反应，建立团簇高精度和高分辨表征的新技术，在原子水平上揭示团簇特殊性质的结构基础与演变规律，理解团簇结构与功能的关联，制备功能团簇基材料与器件，解决基于团簇的变革性技术中的关键科学问题，促进相关学科的发展。

　　二、核心科学问题

　　本重大研究计划将聚焦团簇构效关系，探索物质结构与性能随团簇尺寸变化的规律，揭示团簇稳定性机制，理解多级团簇体系中主体与环境的作用机制，实现功能导向的多级团簇结构的精准构筑和宏量制备。

　　（一）团簇的稳定性机制。

　　具有特殊结构与独特性能的新型团簇的发现、团簇形成机理和稳定化机制的理解、各种化学键及弱相互作用的认知。

　　（二）团簇电子结构的规律。

　　团簇结构及稳定性随团簇尺寸的演变规律、团簇的“幻数”特性、团簇的构效关系。

　　（三）多级团簇功能的调控原理。

　　多级团簇功能与团簇内聚集态、簇际相互作用、团簇与环境耦合的关系。

　　三、2020年度重点资助研究方向

　　针对原子团簇、分子团簇及其多级体系（特别是生物体系）中的重要科学问题，发展团簇研究的新方法和新理论，揭示团簇的形成机制、稳定性规律和构效关系，构造具有独特功能的团簇材料与器件。本重大研究计划2020年度重点资助以下研究方向：

　　（一）团簇多级结构的精准构筑。

　　建立团簇的定向设计、高效合成策略和宏量制备方法，认识和理解团簇稳定性机制，揭示团簇制备的调控规律。理解团簇内聚集态、簇际相互作用、团簇与环境及外场间相互作用的规律，揭示团簇基功能材料的构效关系，进而实现功能复合。重点支持新型团簇体系的合成方法和多级组装结构的研究，特别注重主族元素团簇、f区元素团簇、模拟酶团簇、中性团簇及团簇组装的功能材料体系。

　　（二）团簇的电子结构及演化规律。

　　发展团簇的电子结构和稳定性理论，开发团簇体系的计算方法和软件，理解大尺寸团簇的化学成键和电子结构。建立团簇结构数据库，发展人工智能方法，指导团簇实验研究。发展先进的团簇束源技术，建立团簇表征新方法，揭示团簇热力学性质、成核机制和生长演化规律。重点支持高核团簇和复杂团簇的电子结构理论和高效计算方法、高时空分辨的谱学方法与成像技术、团簇结构和动力学的原位研究方法。

　　（三）团簇的功能与应用。

　　设计团簇基能源与信息材料，揭示团簇内核结构、配位结构、簇际相互作用、环境和外场等因素对材料性能的调控规律，实现团簇功能的理性设计，开展高性能原型器件的探索研究。重点支持团簇在量子计算、分子电子学、人工光合作用、温和固氮、能量转换、原子制造、量子精密测量与传感、生物医药等领域的应用，特别注重具有重大应用前景的团簇组装材料如量子材料、信息材料和催化材料等研究。

　　四、2020年度资助计划

　　2020年度拟资助培育项目25-35项，直接费用资助强度约为80万元/项，资助期限为3年，申请书中研究期限应填写“2021年1月1日-2023年12月31日”；拟资助重点支持项目5-7项，直接费用资助强度约为300-400万元/项，资助期限为4年，申请书中研究期限应填写“2021年1月1日-2024年12月31日”。

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“大气细颗粒物的毒理与健康效应”重大研究计划2020年度项目指南

　　本重大研究计划自立项以来，在PM2.5毒性组分辨识与溯源、PM2.5环境流行病学证据与特征、PM2.5污染的典型健康危害等三方面取得重要突破。随着大气污染防治策略的实施，全国范围PM2.5控制效果显著。然而，PM2.5质量浓度的下降并不意味着健康危害的同等程度减少，组分差异决定了PM2.5健康风险的差异，PM2.5多种复杂组分的联合毒性作用研究从方法到机制都不清楚。已资助的环境流行病学研究揭示了PM2.5是我国慢阻肺和哮喘高发的主要因素之一，建立了全球范围PM2.5污染与城市居民死亡率暴露-反应关系，提出了我国阶梯性控制PM2.5带来的心血管健康获益，且在相应的PM2.5健康危害机制方面有所建树；但是仍亟待建立PM2.5污染对重大疾病发生发展影响的暴露-效应-健康危害全链条证据。本重大研究计划拟进一步组织多学科领域专家合作攻关，开展全链条分析，通过理论与方法学创新，回答大气细颗粒物组分与其毒性间的因果关系，揭示典型地区大气细颗粒物污染的机体损伤机制。

　　一、科学目标

　　本重大研究计划拟围绕大气细颗粒物毒理机制与健康危害重大科学问题，解析雾霾关键毒性成分及其来源和暴露途径；提出并建立个体水平和人群水平暴露评估的方法，阐明我国雾霾高发地区大气细颗粒物污染的暴露特征；寻找并利用代谢组、遗传和表观遗传生物标志物，解析细颗粒物对关键信号路径的扰动作用，诠释我国特征大气细颗粒物毒性组分的生物学效应和毒理学机制；揭示大气细颗粒物可能诱发的机体应答与机体损伤作用机理，阐明大气细颗粒物污染与相关疾病的联系及其可能的影响机制。

　　二、核心科学问题

　　核心科学问题是“大气细颗粒物的毒性组分、毒理机制与健康危害”。

　　（一）典型区域大气细颗粒物毒性组分及暴露研究方法学。

　　（二）大气细颗粒物毒性组分的生物学效应与毒理学机制。

　　（三）大气细颗粒物的健康危害效应。

　　三、2020年度重点资助研究方向

　　（一）集成项目。

　　2020年本重大研究计划拟在前5年资助项目的基础上，对以下方向集成：

　　1.我国典型地区大气细颗粒物的机体损伤机制。

　　立足我国区域大气细颗粒污染实际，结合典型地区大气污染情况，开展“大气细颗粒物污染-外暴露-内暴露-效应标志物-机体损伤”的全链条研究，发现高灵敏度和高特异性的暴露、效应和易感生物标志物，建立环境暴露剂量与机体损伤的关系并诠释其特征，阐明细颗粒物诱发机体功能异常和相关疾病的生物学基础，继而揭示典型地区大气细颗粒物污染对重大疾病发生、发展、恶化等典型有害健康结局的影响机制。

　　2.大气细颗粒物及其活性组分的毒理学机制。

　　大气细颗粒物质量浓度的下降并不等同于其健康风险的同等程度降低，低质量浓度PM2.5暴露下，其毒性组分的决定作用更趋显著。利用效应导向的大气细颗粒物毒性组分解析技术，结合机器学习等先进方法，阐明实际PM2.5典型活性组分的联合毒性作用机理。结合典型地区环境细颗粒物组成，揭示污染组分类型与比例的变化及共存大气污染物对细颗粒物毒性效应和单位质量浓度PM2.5下降所致毒性消减的影响机制，回答大气细颗粒物组分与其毒性间的因果关系。

　　（二）重点支持项目。

　　根据前5年项目资助与完成情况，结合最新出现的环境问题，2020年本重大研究计划拟在以下方向资助重点支持项目：

　　1.大气细颗粒物的体内存在识别和分布规律；

　　2.室内细颗粒物污染及其健康危害特征；

　　3.空气细颗粒物对SARS-CoV-2等典型冠状病毒环境传输的影响。

　　四、2020年度资助计划

　　2020年度拟资助重点支持项目2-3项，直接费用平均资助强度200-300万元／项，资助期限2年，申请书的研究期限应填写“2021年1月1日-2022年12月31日”；拟资助集成项目2项，直接费用资助强度为1200-1500万元/项，资助期限为2年，集成项目申请书研究期限应填写“2021年1月1日-2022年12月31日”。资助项目数和资助经费将根据申请情况和申请项目研究工作的实际需要而定。

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