北理工郭偉博士在能源材料多尺度設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2015-10-20 供稿：物理學(xué)院
編輯：物理學(xué)院 周格羽 閱讀次數(shù)：
在新能源和環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，一直困擾著科學(xué)家們一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的是如何尋找和設(shè)計(jì)高效、廉價(jià)且環(huán)境友好的催化劑材料。近年來(lái)，相比傳統(tǒng)金屬催化劑，過(guò)渡金屬合金core-shell納米顆粒在諸如光電催化、生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化等重要領(lǐng)域顯示出了特別優(yōu)異的性能。這主要?dú)w因于這類(lèi)納米顆粒獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及兩種金屬混合引起的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的改變，然而對(duì)于core-shell復(fù)雜納米微結(jié)構(gòu)，無(wú)論是從實(shí)驗(yàn)還是理論計(jì)算的角度，都給材料設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。理論上闡明這類(lèi)材料的原位活性物理機(jī)理，揭示它們?cè)谡鎸?shí)實(shí)驗(yàn)條件下的活性位，對(duì)于設(shè)計(jì)和合成這類(lèi)新材料具有重大指導(dǎo)意義。
最近，物理學(xué)院姚裕貴研究團(tuán)隊(duì)成員郭偉博士和美國(guó)特拉華大學(xué)Dionisios G. Vlachos教授合作，在多尺度能源材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們通過(guò)密度泛函理論結(jié)合動(dòng)力學(xué)模特卡羅的多尺度計(jì)算模擬，預(yù)測(cè)了一種新型的雙金屬納米功能材料：通過(guò)對(duì)一種金屬納米顆粒表面用另外一種金屬作亞單層“缺陷”的修飾，能夠提高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)的催化活性。該結(jié)果發(fā)表在10月7日出版的Nature子刊《自然通訊》上（Nature Communications, 6, 8619, 2015）。
相關(guān)鏈接：http://www.nature.com/ncomms/2015/151007/ncomms9619/full/ncomms9619.html
氨氣是一種重要的工業(yè)原料，被大量用于制造肥料，同時(shí)也是一種高效的儲(chǔ)氫載體。通過(guò)氨氣分解，能夠?yàn)槿剂想姵卦坏奶峁o(wú)碳能源載體——氫氣。除此而外，氨氣分解的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，又具有對(duì)催化材料結(jié)構(gòu)依賴(lài)性的特點(diǎn)，經(jīng)常被用來(lái)做預(yù)測(cè)新型多功能催化材料性能的試金石。郭偉博士與Vlachos教授的研究表明，通過(guò)對(duì)鉑納米顆粒表面進(jìn)行鎳原子亞單層修飾，能成功實(shí)現(xiàn)多功能催化：覆蓋在鉑納米顆粒上的亞單層鎳原子能有效分解氨氣，同時(shí)解離的氮原子擴(kuò)散到鎳臺(tái)階邊緣進(jìn)而脫附，釋放出無(wú)毒害的氮?dú)狻６鴼錃夂苋菀讖谋砻婷摳剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了無(wú)碳的氫氣釋放。事實(shí)上，這種亞單層的“缺陷”表面不但相對(duì)于完美的無(wú)缺陷表面有兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提高，也具有更易于實(shí)驗(yàn)合成的優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)現(xiàn)為材料設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的可能性：科學(xué)家可以通過(guò)調(diào)控復(fù)合材料表面的形貌和成分，從而利用材料的不可避免的不完美性，以及不同組分的協(xié)同效應(yīng)來(lái)完成各種復(fù)雜的反應(yīng)。
分享到：