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物理学院郭伟博士在能源材料多尺度设计领域取得重要进展

发布日期:2015年10月19日

      在新能源和环保技术领域,一直困扰着科学家们一个关键问题的是如何寻找和设计高效、廉价且环境友好的催化剂材料。近年来,相比传统金属催化剂,过渡金属合金core-shell纳米颗粒在诸如光电催化、生物质能源转化等重要领域显示出了特别优异的性能。这主要归因于这类纳米颗粒独特的结构以及两种金属混合引起的结构和电子性质的改变,然而对于core-shell复杂纳米微结构,无论是从实验还是理论计算的角度,都给材料设计提出了巨大的挑战。理论上阐明这类材料的原位活性物理机理,揭示它们在真实实验条件下的活性位,对于设计和合成这类新材料具有重大指导意义。
     最近,物理学院姚裕贵研究团队成员郭伟博士和美国特拉华大学Dionisios G. Vlachos教授合作,在多尺度能源材料设计领域取得了重要进展。他们通过密度泛函理论结合动力学模特卡罗的多尺度计算模拟,预测了一种新型的双金属纳米功能材料:通过对一种金属纳米颗粒表面用另外一种金属作亚单层“缺陷”的修饰,能够提高2~3个数量级的催化活性。该结果发表在10月7日出版的Nature子刊《自然通讯》上(Nature Communications, 6, 8619, 2015)。 

http://www.nature.com/ncomms/2015/151007/ncomms9619/full/ncomms9619.html

 

      氨气是一种重要的工业原料,被大量用于制造肥料,同时也是一种高效的储氢载体。通过氨气分解,能够为燃料电池原位的提供无碳能源载体——氢气。除此而外,氨气分解的过程相对简单,又具有对催化材料结构依赖性的特点,经常被用来做预测新型多功能催化材料性能的试金石。郭伟博士与Vlachos教授的研究表明,通过对铂纳米颗粒表面进行镍原子亚单层修饰,能成功实现多功能催化:覆盖在铂纳米颗粒上的亚单层镍原子能有效分解氨气,同时解离的氮原子扩散到镍台阶边缘进而脱附,释放出无毒害的氮气。而氢气很容易从表面脱附,从而实现了无碳的氢气释放。 事实上,这种亚单层的“缺陷”表面不但相对于完美的无缺陷表面有两到三个数量级的性能提高,也具有更易于实验合成的优点。该发现为材料设计开辟了新的可能性:科学家可以通过调控复合材料表面的形貌和成分,从而利用材料的不可避免的不完美性,以及不同组分的协同效应来完成各种复杂的反应。

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