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我院杨宗献教授团队在量子能源领域取得系列进展

发布时间: 2021-07-13 浏览次数:883


我院省特聘教授杨宗献教授团队在单原子基量子能源领域取得系列进展。近期,该团队又一重要研究成果以“Theoretical Inspection of M1/PMA Single-Atom Electrocatalyst: Ultra-High Performance for Water Splitting (HER/OER) and Oxygen Reduction Reactions (OER)”为题发表在国际量子催化、量子能源Top旗舰刊物《ACS Catalysis》上—其影响因子为13.08。校特聘教授路战胜教授为通讯作者,其指导的博士后Shamraiz Hussain Talib为第一作者,清华大学李隽教授为共同通讯作者。

TOC  4电子OERORR路径示意图

Figure 4  4电子OER路径示意图



氢能源中的核心反应——电解水可以分为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)两个半反应,其中,OER反应由于具备很高的过电位(overpotential),极大地限制了电解水的效率。此外,氧还原反应(ORR)是目前电化学领域和催化领域研究最广泛的话题之一,它在电化学能量转化和能量存储中扮演了重要的作用。基于此,该论文系统研究了磷钼酸(PMA)负载的Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni等多种金属单原子体系的吸附特性、热力学稳定性和微观电子结构特性。理论模拟结果表明PMA负载的PtRuVTi金属单原子表现出了良好的热力学稳定性和HER电化学性能。PMA负载的CoPt单原子表现出了良好的OER性能。PMA负载的Fe单原子表现出了良好ORR性能。进一步地,通过热力学和动力学模拟以及系统、深入的电子结构分析,该文从物理机理上揭示了金属“单原子”微观电子结构描述符d-band center与其宏观电催化性能之间的“构效关系”,还揭示了单原子的自旋电荷密度、磁矩及其价态在电化学性能中的关键作用。这些研究成果也将为相关实验合成和应用开发提供重要指导和依据。

团队介绍:

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01294,论文第一作者Shamraiz Hussain Talib是我校物理学博士后流动站引进的巴基斯坦籍博士后。论文通讯作者路战胜是河南师范大学一级校特聘教授、中原千人计划—青年拔尖人才、河南省高层次B类人才、河南省教学标兵,是瑞典乌普萨拉大学联合培养博士、美国加州大学博士后、客座教授。

杨宗献教授团队多年来采用基于密度泛函理论——该理论于1998年获得诺贝尔奖,是量子力学理论模拟领域的重要基石——的第一性原理方法,以凝聚态物理原子与电子结构计算模拟为抓手,瞄准能源环境领域的基本科学问题和重大社会需求;立足凝聚态物理学的基本物理原理和方法,从原子与电子层次揭示材料的微观结构与宏观特性之间的构效关系及其物理本质,为新材料的设计与应用提供理论依据和新的视角。

该团队近年来先后深入系统地在汽车尾气处理“三元催化剂”、燃料电池电极材料等量子能源材料电子结构及性能调控方面取得系列进展,为清洁能源环境材料的应用和产业化提供有力支撑。并先后获得河南省教育厅科技成果奖壹等奖(2020)、河南省自然科学奖贰等奖(2021)。此次在《ACS Catalysis》发表的成果是继该团队获得“河南省自然科学奖获奖贰等奖”之后,在单原子基量子能源的模拟研究领域的又一重要进展。

上述工作受到国家自然科学基金、前沿物理与清洁能源材料河南省特色学科群、中原千人计划、河南省学科创新111引智基地等的支持。



(物理学院 孟宋杰)