复相催化反应是基础化工领域占有绝对比重的化学反应类型。由于催化材料多样性和催化反应条件复杂性，复相催化综合了材料学、化学、表面科学等基础学科，其微观动力学的研究具有高度挑战性。围绕如何确定复相催化反应的机理及动力学参数，和如何高效预测反应选择性两个基本问题，该项目创新和发展了系列新理论方法和模拟算法，包括固液界面周期性溶剂化方法，约束过渡态优化方法等，同时结合从头算热力学、动力学、统计力学等理论手段，建立了一套高效的理论催化研究框架。该项目推进了对固液界面光电催化和高温热催化体系反应动力学等关键问题的原子级别精确模拟，取得了广泛国际学术影响，促进了理论催化化学的发展，主要学术成果如下：(1)建立基于泊松-玻尔兹曼方程的周期性均匀介质溶剂化计算(MPB-CM)方法, 理论预测电势条件下反应动力学。在国际上率先开展了在电化学和光化学条件下固液界面催化反应理论研究，尤其是对氧化钌(RuO2)表面电解水和氧化钛(TiO2)表面光解水的动力学过程进行了原子级别精确模拟，确立了光解水和电解水的决速反应步骤和电子转移系数，并预测了氢氧自由基、过氧物种等中间体在催化材料表面的结构和电子状态。(2)建立以约束过渡态优化方法为代表的系列过渡态搜索算法，理论预测催化材料表面结构相变和催化反应网络最优通道。新方法采用模糊振动模式迭代搜索，显著提高了复杂催化反应理论研究效率，创新了固体表面结构重构和相变研究思路。证明了乙醇燃料电池在不同铂催化剂表面具有显著不同的电催化反应机理和反应选择性，预测了乙醇高选择性氧化的催化活性位结构；确立了光催化TiO2材料异相结成核、形成原理和结构特征。(3)发展基于从头算热力学和统计力学的理论催化研究方法，确定高温费托合成、溶液纳米金催化等催化过程的微观动力学机理。理论结果指出了金属钌和铑上费托反应中碳链增长通道的共性和最终选择性差别的关键原因，理清了溶液纳米金催化活化分子氧的微观机制及其高反应选择性的物理本质，为实验催化剂设计提供了关键思路。该项目相关研究成果发表在JACS、Angew Chem、JCTC和JPC等期刊上。项目完成人应邀在ACS Catal、JCP和PCCP等刊物上撰写多篇综述和发表系列研究成果，应邀担任美国ACS旗下物理化学期刊JPC A/B/C高级主编。在“国际量子化学大会”等重要国际学术会议上作理论催化相关大会邀请报告数十次。8篇代表性论文均为长文发表的JACS期刊论文，SCI他引959次，其中两篇论文为SCI高引用论文，分别被他引204和194次。代表论文曾入选每周一期的JACS beta图片挑战，催化机理成果得到大量实验验证，成果得到美国Prezhdo等国际著名专家高度评价，理论催化研究新方法已在国际推广使用。