北理工郭偉博士在能源材料多尺度設計領域取得重要進展
發布日期：2015-10-20 供稿：物理學院
編輯：物理學院 周格羽 閱讀次數：
在新能源和環保技術領域，一直困擾著科學家們一個關鍵問題的是如何尋找和設計高效、廉價且環境友好的催化劑材料。近年來，相比傳統金屬催化劑，過渡金屬合金core-shell納米顆粒在諸如光電催化、生物質能源轉化等重要領域顯示出了特別優異的性能。這主要歸因于這類納米顆粒獨特的結構以及兩種金屬混合引起的結構和電子性質的改變，然而對于core-shell復雜納米微結構，無論是從實驗還是理論計算的角度，都給材料設計提出了巨大的挑戰。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，對于設計和合成這類新材料具有重大指導意義。
最近，物理學院姚裕貴研究團隊成員郭偉博士和美國特拉華大學Dionisios G. Vlachos教授合作，在多尺度能源材料設計領域取得了重要進展。他們通過密度泛函理論結合動力學模特卡羅的多尺度計算模擬，預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個數量級的催化活性。該結果發表在10月7日出版的Nature子刊《自然通訊》上（Nature Communications, 6, 8619, 2015）。
相關鏈接：http://www.nature.com/ncomms/2015/151007/ncomms9619/full/ncomms9619.html
氨氣是一種重要的工業原料，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構依賴性的特點，經常被用來做預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量級的性能提高，也具有更易于實驗合成的優點。該發現為材料設計開辟了新的可能性：科學家可以通過調控復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，以及不同組分的協同效應來完成各種復雜的反應。
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