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本項目的科學目標是研制一套基于可調紅外激光的能源化學研究大型實驗裝置。包括發(fā)展一套具有國際先進水平的波長連續(xù)可調、覆蓋中紅外到遠紅外的可調諧紅外自由電子激光光源，建立基于可調紅外激光的三個面向能源化學基礎研究的實驗站。發(fā)展和建立基于可調諧紅外自由電子激光光源的表界面研究、分子結構解析和反應動力學新方法，開展從分子體系到團簇到表界面真實體系的反應機理研究，解決能源材料化學發(fā)展的瓶頸問題。

項目研制首套基于可調諧紅外激光的能源化學研究大型實驗裝置， 集成一臺覆蓋遠紅外和中紅外波段的紅外自由電子激光光源，和面向能源化學相關的氣固、液固表界面化學、團簇結構及其分子反應動力學研究的三個實驗站。結合 IRFEL 的技術優(yōu)勢，多層次、多角度來重新詮釋表界面化學反應中的微觀過程， 以使我國表界面物理化學研究上升到一個新的高度。該大型實驗裝置的建成，極有希望成為國際上相關研究領域的一個重要研究基地。本項目的實施對我國能源相關的基礎科學研究的發(fā)展具有極為重要的意義。

研制一臺具有國際先進水平紅外自由電子激光光源，該光源不僅波段覆蓋中紅外和遠紅外、波長連續(xù)可調、脈沖結構可控，而且能夠長期穩(wěn)定可靠運行、并和實驗站高效集成，支撐實驗站完成能源化學研究中的挑戰(zhàn)性的紅外光檢測、光解離、光激發(fā)實驗。光源的主要技術指標如下：波長范圍：2.5μm-200μm，宏脈沖寬度：5-10μs、重復率：10Hz、脈沖能量：~100mJ，微脈沖寬度：5-10ps，重 復率：2856MHz 次諧波可調、脈沖能量：~20μJ，同步精度：宏脈沖~1μs、微脈沖：<1ps。

建立固/氣、固/液表界面的高靈敏度、涵蓋遠紅外的紅外反射光譜技術，開展催化和電催化研究。利用 IREFL 在遠紅外區(qū)的超高光源強度，可以在遠紅外區(qū)獲得較好的信噪比，結合自行研制的原位反應池，對催化反應過程中如烴的選擇氧化、CO 的臨氫轉化，以及電催化過程中如有機小分子電氧化、氧還原等燃料電池反應過程中產(chǎn)生的低覆蓋度、短壽命、弱吸附中間體物種的進行檢測，以及開展納米級分辨能力的紅外光譜研究，有望在更深層次理解表界面化學反應的微觀過程，探明臨氧和臨氫反應中催化劑活性位的本質、選擇性控制的關鍵因素和催化反應機理，以指導高性能催化劑的制備。

AFM-IR。利用 IREFL 的超高光源強度，大調諧范圍的紅外脈沖優(yōu)勢，建立固/氣、固/液表界面具有高空間分辨的紅外反射光譜技術(AFM-IR)，能夠在獲得納米材料表面結構信息的同時，獲得不同空間區(qū)域表面分子振動信息，以開展微區(qū)（電）催化以及微粒組分演變研究。建成 AFM-IR 測量技術使可測低頻極限達低于 1000 cm-1、光譜分辨率 8 cm-1，空間分辨率達 50 nm。結合自行研制的原位電解池，研究真實電化學環(huán)境下，電極局部表界面上甚至特定晶面上電催化過程中的吸附及反應特征，將為形貌和尺寸決定的反應活性研究提供關鍵性證據(jù)。同時，利用該測量技術跟蹤環(huán)保關切的 PM0.1 到 PM2.5 微粒生長過程的組分演變，為研究其生長機制提供譜學佐證。

用 SFG 研究表界面分子，可以避免體相信號的干擾，靈敏度高，檢測速度快，而 IRFEL 可以提供高能量的紅外脈沖，特別是在<500cm-1 時，目前只有 IRFEL 可以提供。用 SFG 研究表界面分子低頻振動模式的實驗，只有結合 IRFEL 才能實現(xiàn)。建立SFG 光譜系統(tǒng)，用于電化學和催化等復雜原位體系，系統(tǒng)研究與表面分子構象、構型以及吸附鍵等結構直接相關的低頻振動模式，開展表面分子動力學過程的研究。與紅外反射吸收光譜相結合，揭示表面化學反應機理。

將紅外自由電子激光與離子遷移譜、大范圍變溫離子阱（10-600 K）、高分辨反射式時間飛行質譜、以及雙紅外激光光解（pump-probe）技術相結合，開發(fā)研制出一套新的紅外光解離光譜實驗裝置，用于與催化、能源等相關的團簇結構及其變化動力學研究，闡明他們與烷烴、烯烴和醇等低鏈碳氫化合物之間的反應機理，探索團簇結構與催化活性之間的關系，幫助理解催化反應的本質，開展具有創(chuàng)新性的實驗工作。

采用紅外自由電子激光作為激發(fā)光源來制備振動激發(fā)態(tài)分子束，并利用交叉分子束方法和兩種相互配合的探測技術來研究振動態(tài)激發(fā)分子反應動力學。深入細致地研究分子振動量子態(tài)激發(fā)對化學反應的影響以及振動激發(fā)態(tài)分子在重要的燃燒、大氣、能源化學過程中的作用，發(fā)現(xiàn)振動激發(fā)態(tài)分子反應動力學中的新穎的動力學現(xiàn)象，在原子分子層次和量子態(tài)分辨水平上揭示處于振動激發(fā)態(tài)分子的反應動力學規(guī)律，探索利用分子振動態(tài)調控化學反應的方法和途徑，在分子振動激發(fā)態(tài)反應動力學研究方面有所突破，進一步擴大我國在反應動力學研究領域的優(yōu)勢地位。