《氧化物/水界面上光、電催化水氧化反應的理論研究》是依託廈門大學，由程俊擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氧化物/水界面上光、電催化水氧化反應的理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：程俊
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
光、電催化是與世界能源和環境問題緊密相關的一個核心科研方向。當前一個重要的技術瓶頸是陽極材料活性太低（水氧化反應的超電勢過高），有鑒於此，本項目擬發展一個新穎的計算方法來研究氧化物電極界面上的水氧化反應。該方法結合量子力學和統計力學的技巧來計算質子和電子轉移反應的自由能。採用該新方法能夠讓我們首次計算固液界面上水氧化反應中的質子/電子轉移，從而有助於我們更深刻地理解反應機理和超電勢的根源。一個重要亟待解決的問題是陽極材料的活性與其電子能帶結構是如何關聯的。本項目將對具有完全不同電子結構的半導體光電催化劑（如二氧化鈦）和金屬態電催化劑（如二氧化釕）進行系統地研究，進而從電子結構的角度理解光催化和電催化的相同與不同之處。最終目標是建立陽極材料的構效（電子結構與活性）關係，為實驗尋找高性能光電催化劑提供必要的理論基礎。
結題摘要
光、電催化是與世界能源和環境問題緊密相關的一個核心科研方向。當前一個重要的技術瓶頸是電極材料活性太低(如水氧化反應的超電勢過高)，有鑒於此，本項目研究了電極界面上的質子/電子轉移，從而幫助我們更深刻地理解反應機理和超電勢的根源。通過研究，我們獲得了二氧化鈦水界面能級排列、pKa，也對界面上水氧化的耦合質子電子轉移反應(PCET)進行了計算研究，為進一步認識界面上水氧化的耦合質子電子轉移反應(PCET)提供了基礎。我們進一步發展計算氧化物水界面酸度的方法，突破之前方法的限制計算二氧化錫和二氧化釕界面質子轉移自由能，使得我們可以進一步探究在氧化物溶液界面上質子傳遞的微觀機制；金屬-水界面在電化學反應中起到重大作用,我們發展了金屬水界面電極電勢計算新方法，極大地降低了計算成本，實現對金屬電極零電荷電勢的精確計算。該方法可以直接拓展套用到其它固液（如半導體-水）界面；我們和蘇黎世理工大學Joost VandeVondele教授合作首次採用基於最新的隨機相位近似和雙雜化泛函對水相中電子能級進行了精準計算，克服了計算電化學在界面模擬研究上的局限性，允許我們精確地將計算結果與實驗結果進行分析對比，給予全局的計算研究電化學界面帶來了希望；我們也將之前發展的方法進行拓展，計算二氧化碳還原，對光、電催化體系的進行探討； 我們對常壓催化CO2加氫生成甲酸的機理進行了計算研究。本項目的一系列結果和進展為進一步研究電極界面的電子/質子轉移提供了新穎的計算方法，為實驗尋找高性能光電催化劑提供了必要的理論基礎。
