2023年，注定是不平凡的一年！從本期開始，我們將對(duì)理論與計(jì)算領(lǐng)域的大牛，對(duì)之前的成果工作進(jìn)行簡(jiǎn)單匯總，希望能夠?yàn)榭蒲泄ぷ髡邆兲峁┮恍┧悸芳跋敕?。本期?023版新版名人堂介紹，本期為第16期。

名人介紹

Jens Kehlet N?rskov，1976年碩士畢業(yè)于丹麥奧胡斯大學(xué)(Aarhus University)物理化學(xué)專業(yè)，1979年于同校獲理論物理博士。1987年-2010年，任教于丹麥科技大學(xué)。2010年-2018年，受聘于斯坦福大學(xué)化工系，并擔(dān)任斯坦福大學(xué)界面科學(xué)與催化中心(SUNCAT)主任。2018年7月起，N?rskov教授重回丹麥科技大學(xué)物理系。Jens N?rskov教授是計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，其主要研究方向包括表面化學(xué)、異相催化、光電催化等理論計(jì)算研究，其課題組提出了用于描述催化反應(yīng)活性的“描述子”，推動(dòng)了對(duì)反應(yīng)活性與選擇性的理解，促進(jìn)了新材料的開發(fā)。

N?rskov教授主要從事催化基礎(chǔ)理論的相關(guān)研究，從電子層面出發(fā)，對(duì)催化反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行描述，為催化劑設(shè)計(jì)做出了很多杰出貢獻(xiàn)，近年來，在軟件開發(fā)、算法研究、合成氨和燃料電池領(lǐng)域均有重大進(jìn)展。特別是他提出的d-band center理論是目前計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的經(jīng)典理論之一，推動(dòng)了電催化領(lǐng)域的發(fā)展。截止目前，據(jù)Google Scholar統(tǒng)計(jì)，發(fā)表文章多達(dá)580余篇，總被引次數(shù)高達(dá)217131，H-index為217。

1. ACS Catalysis：調(diào)節(jié)銻酸錳在氧還原反應(yīng)中的催化活性和選擇性的策略

提高非貴金屬氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑性能的策略，有助于實(shí)現(xiàn)燃料電池設(shè)備的成本效益。電催化劑性能通常通過兩種方法得到改善：增加活性位點(diǎn)數(shù)量和提高活性位點(diǎn)的內(nèi)在活性。在此，研究者利用這兩種方法來提高M(jìn)nSb2O6的性能，研究者最近證明了這種材料由于在反莫合金結(jié)構(gòu)中金屬-位點(diǎn)活性的改進(jìn)而具有潛力作為ORR催化劑。首先，電極工程被用于研究質(zhì)量和導(dǎo)電支持負(fù)載在觀察到的ORR性能和選擇性中的作用。發(fā)現(xiàn)明顯的2電子選擇性隨著質(zhì)量和/或?qū)щ娭С重?fù)載的增加而降低，這表明旋轉(zhuǎn)環(huán)形盤電極研究并不一定測(cè)量催化劑的固有選擇性。其次，理論計(jì)算被用于確定鉻、鐵和鎳作為提高M(jìn)nSb2O6固有活性的第一族過渡金屬的潛力。實(shí)驗(yàn)上，添加鉻導(dǎo)致0.7伏特時(shí)的質(zhì)量和比表面積分別增加了3倍和2倍。這種增強(qiáng)是由于添加鉻調(diào)節(jié)了活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)和Mn氧化狀態(tài)所致。通過這些研究，研究者對(duì)影響ORR性能的內(nèi)在和外在因素有了更深入的了解。

參考文獻(xiàn)：

Kreider, Melissa E., et al. "Strategies for Modulating the Catalytic Activity and Selectivity of Manganese Antimonates for the Oxygen Reduction Reaction."?ACS Catalysis?12.17 (2022): 10826-10840.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c01764

2.JPCC：二維過渡金屬二硫化物的析氫反應(yīng)研究

理解二維過渡金屬二硫?qū)倩?2D-TMDs)上的氫解離反應(yīng)(HER)行為，對(duì)于開發(fā)具有更好活性的非貴金屬HER電催化劑至關(guān)重要。在這項(xiàng)工作中，研究者通過結(jié)合密度泛函理論計(jì)算和微動(dòng)力學(xué)建模，徹底研究了2D-TMDs上的HER機(jī)制。研究者發(fā)現(xiàn)模擬電池大小與計(jì)算出的氫吸附能和MoS2的激活勢(shì)壘之間存在重要依賴關(guān)系。與以前為Heyrovsky反應(yīng)提出的“H遷移”機(jī)制不同，研究者認(rèn)為Mo位點(diǎn)僅充當(dāng)穩(wěn)定過渡狀態(tài)而不是氫吸附。與過渡金屬電催化劑相比，研究者發(fā)現(xiàn)在2D-TMDs上Heyrovsky反應(yīng)的激活勢(shì)壘與過渡金屬的激活勢(shì)壘大致相同，除了所有激活能都向上移動(dòng)約0.4電子伏特。這種較高的Heyrovsky激活勢(shì)壘導(dǎo)致了2D-TMDs活性顯著降低。研究者進(jìn)一步表明，這種較高的激活勢(shì)壘源于吸附在硫化物上的更正電荷氫與即將到來的質(zhì)子相互作用，相互排斥?；谶@些見解，研究者討論了設(shè)計(jì)具有與Pt相當(dāng)活性的非貴金屬HER催化劑的潛在策略。

參考文獻(xiàn)：

Wang, Zhenbin, et al. "Insights into the hydrogen evolution reaction on 2D transition-metal dichalcogenides."?The Journal of Physical Chemistry C?126.11 (2022): 5151-5158.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.1c10436

3.Nature Communications：催化合成氨的自旋促進(jìn)效應(yīng)

高效氨合成的需求與以往一樣緊迫。在過去的二十年中，已經(jīng)報(bào)道了許多在溫和條件下尋找新催化劑用于氨合成的嘗試，尤其是引入了許多傳統(tǒng)K和Cs氧化物之外的新催化速率促進(jìn)劑。在此，研究者概述了最近實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的非傳統(tǒng)促進(jìn)劑，并開發(fā)了一個(gè)綜合模型來解釋它們是如何工作的。該模型有兩個(gè)組成部分。首先，研究者確定了不同促進(jìn)劑存在時(shí)活性位點(diǎn)最可能的結(jié)構(gòu)。然后，研究者表明有兩種效應(yīng)決定了催化活性。一種是吸附的促進(jìn)劑與N-N離解過渡態(tài)之間的靜電相互作用。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)磁性催化劑的新促進(jìn)作用導(dǎo)致了異常大的激活能降低，為尋找新的氨合成催化劑打開了可能性。

參考文獻(xiàn)：

Cao, A., Bukas, V.J., Shadravan, V.?et al.?A spin promotion effect in catalytic ammonia synthesis.?Nat Commun?13, 2382 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30034-y

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30034-y

4.PCCP：過渡金屬摻雜氧化鈮的氧還原電催化分析(110)

好的氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑，應(yīng)該在電化學(xué)反應(yīng)條件下穩(wěn)定且活性高。鈮五氧化物(Nb2O5)已知在ORR條件下是穩(wěn)定的，但它具有較大的能帶隙，這使得反應(yīng)期間的導(dǎo)電性成為一個(gè)挑戰(zhàn)。在本工作中，研究者旨在了解使用過渡金屬摻雜對(duì)鈮五氧化物110面進(jìn)行表面修飾，是否對(duì)其ORR活性和導(dǎo)電性產(chǎn)生任何影響。盡管過渡金屬氧化物(TMOs)的導(dǎo)電性問題，可以通過過渡金屬摻雜部分解決，但它對(duì)摻雜體系的ORR活性幾乎沒有影響。

參考文獻(xiàn)：

Abraham, Christina Susan, et al. "Analysing oxygen reduction electrocatalysis on transition metal doped niobium oxide (110)."?Physical Chemistry Chemical Physics?24.28 (2022): 17116-17120.

原文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CP/D1CP05725A

5.JPCC：羥基結(jié)合能作為過渡金屬表面零電荷勢(shì)的通用描述符

零電荷潛力(UPZC)是金屬-水界面的重要參數(shù)，在許多電化學(xué)應(yīng)用中起著核心作用。在本文中，研究者使用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)(AIMD)模擬研究了大量(111)、(100)、(0001)和(211)過渡金屬-水界面及其疊加層，以確定預(yù)測(cè)其UPZC的簡(jiǎn)單描述符。研究者發(fā)現(xiàn)水覆蓋度與工作函數(shù)降低Δφ之間存在良好的相關(guān)性，Δφ由真空中的工作函數(shù)與含水環(huán)境中的工作函數(shù)之間的差異定義。此外，研究者確定了H2O和OH物種的真空結(jié)合能作為預(yù)測(cè)水覆蓋度和Δφ的良好描述符。研究者的洞察統(tǒng)一了不同面幾何和混合金屬表面，從而推廣了最近的觀察結(jié)果。研究者進(jìn)一步提出了一種僅基于OH結(jié)合和靜態(tài)DFT計(jì)算估算的真空工作函數(shù)來預(yù)測(cè)UPZC的方案。該形式適用于所有研究過的金屬和混合金屬表面，包括梯級(jí)和臺(tái)階幾何，并且不需要昂貴的AIMD模擬。為了評(píng)估對(duì)UPZC的物理影響，研究者將Δφ分解為其定向(Δφorient)和電子(Δφel)成分。研究者發(fā)現(xiàn)Δφorient是一個(gè)面依賴性屬性，是(211)表面上Δφ的主要貢獻(xiàn)者，而Δφel強(qiáng)烈地依賴于金屬身份。

參考文獻(xiàn)：

Kelly, Sara R., et al. "OH binding energy as a universal descriptor of the potential of zero charge on transition metal surfaces."?The Journal of Physical Chemistry C?126.12 (2022): 5521-5528.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.1c10362

https://mp.weixin.qq.com/s/6jaHyNRRy3XdEkxTFD9xBg