多相催化是一门表面科学,催化剂的表面变化对其催化活性有着重要的影响。而很多时候,催化剂的表面会与小分子发生相互作用而改变。因此,理解小分子与催化剂之间的相互作用显得尤为重要。然而,过去人们对于小分子与催化剂之间相互作用的认识主要集中在常见无机小分子,对于有机小分子等认识较少,且并没有很好地将这些相互作用利用起来。本文在过去人们研究的基础上,进一步拓展了小分子与金属氧化物／硝酸盐之间相互作用的范围,并且有针对性地将这些相互作用应用于废水处理(O-H),产氢(O-H,C-H),电催化析氧(O-H)以及C-C活化等领域,从而让人们更加明晰小分子与金属氧化物／硝酸盐之间相互作用的重要性。本文的主要研究内容可以分为以下几个方面：1.发现在紫外光下,过渡金属硝酸盐可以和乙腈分子发生反应生成相应的过渡金属氰化物。这种方法采用低毒的乙腈分子为氰源替代了常规的NaCN,KCN和HCN,而且在反应过程中不生成游离的CN-, HCN等毒性成分,被证实为是一种绿色温和的制备手段。我们通过实验手段和密度泛函理论计算(DFT)对这种新型反应的机理和反应途径进行了研究,提出反应由5步自由基基元反应构成。其中,N03·在C-C键断裂中起到了重要作用。2.提出在室温下,氧化铅可以和甲醛水溶液发生特异性反应,生成新型的PbCH2O2四元环反应产物。通过DFT理论计算研究了整个反应的机理,提出C-OH键的断裂和Pb-O键的形成是整个反应的关键。受HCHO水合物CH2(OH)2结构的启发,进一步研究了PbO与多元醇之间的反应,发现只有邻羟基多元醇(即频哪醇)才可以和PbO发生反应。通过对比不同铅氧化物的结构特征,在可见光照射下实现了Pb304与多羟基化合物之间的反应,进一步证实了反应机理的正确性。PbO与不同浓度水溶液之间存在不同的变色反应,为同时实现甲醛废水的检测与去除提供了可能性。此外,PbCH2O2结构的确定也为合成气制甲醇反应的机理研究提供了理论基础。3.提出了一种通过表面Lewis酸碱复合来调控ZnO表面电子结构以及能带结构的方法。ZnO与Bi(NO3)3·5H2O之间的Lewis酸碱作用驱使着Bi(NO3)3·5H2O在ZnO的表面均匀分布,形成ZnO@Bi(NO3)3·5H2O核壳结构。有意思的是,ZnO与Bi(NO3)3·5H2O之间的这种相互作用,使得ZnO上的电子倾向于转移给Bi,形成独特的界面电子结构。这种特殊的电子结构使得ZnO@Bi(NO3)3·5H2O具有着ZnO和Bi(NO3)3·5H2O所没有的催化HCHO/H2O产氢的性能。而且一旦将这种相互作用破坏掉,产氢的性能会下降,而增加ZnO与Bi(NO3)3·5H2O相互作用的位点可以进一步提高其催化活性,说明ZnO和Bi(NO3)3·5H2O特殊的界面电子结构是真正的催化活性中心。4.采用不同的方法合成了Fe基析氧反应(OER)催化剂,发现不论前驱体是什么,在OER反应条件下,OH-都能够驱使铁基催化剂的表面生成FeOOH,进而以FeOOH的形式进行OER反应。通过研究不同膜厚的FeOOH催化剂,提出FeOOH的OER性能主要受导电性的影响。当过电位较低时(η=350 mV),FeOOH的电导率很低,限制了电子在FeOOH薄膜中的传递,因此仅有与载体直接接触的～0.1 μg cm-2的FeOOH位点具有OER活性。而当过电位比较高(η=450 mV)时, FeOOH的电导率大大增加,有更多的FeOOH位点(～5μg cm-2)可以进行电子传递,进而表现出OER活性。通过对比不同基底上Fe位点的OER活性,证实了Fe是过渡金属OER催化剂中的主要活性位点,而提高材料导电性或者增加FeOOH与载体之间的相互作用可以有效地提高Fe位点的催化活性。