北理工郭偉博士在能源材料多尺度設(shè)計領(lǐng)域取得重要進展
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)家們一個關(guān)鍵問題的是如何尋找和設(shè)計高效、廉價且環(huán)境友好的催化劑材料。近年來，相比傳統(tǒng)金屬催化劑，過渡金屬合金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。這主要歸因于這類納米顆粒獨特的結(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，然而對于core-shell復(fù)雜納米微結(jié)構(gòu)，無論是從實驗還是理論計算的角度，都給材料設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。理論上闡明這類材料的原位活性物理機理，揭示它們在真實實驗條件下的活性位，對于設(shè)計和合成這類新材料具有重大指導(dǎo)意義。
最近，物理學(xué)院姚裕貴研究團隊成員郭偉博士和美國特拉華大學(xué)Dionisios G. Vlachos教授合作，在多尺度能源材料設(shè)計領(lǐng)域取得了重要進展。他們通過密度泛函理論結(jié)合動力學(xué)模特卡羅的多尺度計算模擬，預(yù)測了一種新型的雙金屬納米功能材料：通過對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個數(shù)量級的催化活性。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，同時也是一種高效的儲氫載體。通過氨氣分解，能夠為燃料電池原位的提供無碳能源載體——氫氣。除此而外，氨氣分解的過程相對簡單，又具有對催化材料結(jié)構(gòu)依賴性的特點，經(jīng)常被用來做預(yù)測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，通過對鉑納米顆粒表面進行鎳原子亞單層修飾，能成功實現(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，同時解離的氮原子擴散到鎳臺階邊緣進而脫附，釋放出無毒害的氮氣。而氫氣很容易從表面脫附，從而實現(xiàn)了無碳的氫氣釋放。事實上，這種亞單層的“缺陷”表面不但相對于完美的無缺陷表面有兩到三個數(shù)量級的性能提高，也具有更易于實驗合成的優(yōu)點。該發(fā)現(xiàn)為材料設(shè)計開辟了新的可能性：科學(xué)家可以通過調(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)來完成各種復(fù)雜的反應(yīng)。
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