联系方式 Contact

四川致研精诚科技有限公司

地址:四川省成都市龙泉驿成龙大道3段388号 卡尔中心

销售:028-60616985

前台:028-60616986

售后:028-60616987

传真:028-69417837

手机:13981838508

QQ:274828618

网址:www.zhiyanjc.com

搜索 Search
你的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

源自计算的魅力——计算化学

2015-7-16 16:57:17点击:

  白金可被铁锈所取代,这是真的吗?

  当然是真的。目前,在染料敏化太阳能电池领域,白金常作为电极催化材料被广泛使用。然而,由于成本高,全球科学家一直在努力寻找可替代贵金属电极的材料。

  近日,由我国“千人计划"专家、爱尔兰皇家学院院士胡培君带领的团队,基于微观层面的量子力学方法,竟“算"出可用铁锈替代白金,从而有望大大降低太阳能应用成本。

  计算出来的铁锈

  华东理工大学计算化学中心完全颠覆了记者对化学实验室的想象。这里不仅没有刺鼻的化学气味,也没有做实验的烧杯等瓶瓶罐罐。迎面而来的,是一台挨着一台的计算机和服务器。

  这里正是胡培君等人日常工作的地方,用铁锈取代白金的成果也是在这里诞生的。不过,这一结果可不是通过观察化学反应得出的,而是他们用计算机算出来的。在这里,他们通过计算化学寻找最适合的电极催化材料。

  计算化学研究的是化学反应深处更为微观的世界,主要利用理论方法与计算技术模拟或仿真分子的微观行为,进而作出相应的筛选和比对。胡培君等人的成果就是基于他们创立的“化学势动力学"理论模型计算得出的。

  团队成员用理论推导得出的“吸附能"关键指标,可对不同物质的性质进行“海选",而他们的想法是找到具有吸附强度与白金非常接近的材料。为此,他们首先推算出了一个候选材料区间,即从0.3电子伏到1.2电子伏。随后,通过比对,他们惊讶地发现,只有极少材料的吸附能与白金非常相似。

  “从成本角度考虑,铁锈正是‘价廉物美’的那一个。"胡培君说。

  这一结果很快为传统实验提供了指导。华东理工大学材料学院教授杨化桂特别对此进行了实验室小试,验证了铁锈完全可取得类似白金的光电转化效率。

  刻画原子尺度的图像

  胡培君说自己就像一个画家,而他创作的目的就是将催化表面反应的原子尺度的图像画出来。

  催化是化学里最重要的学科之一,几乎所有的化学反应都是催化反应。而在工业上,90%以上的化学工业生产都离不开催化剂。在计算化学引入之前,催化剂研究和制备基本都依靠实验试错进行。

  催化剂有着不同组分。具体选择哪个组分,按照传统化学的方法,需要将尽可能多的组分进行合成。这导致合成的周期非常长,从原料的选择到表征观察再到性能测试,所有的流程都要走一遍。而且,在这一过程中不仅会消耗原料,还要预防各种试剂带来污染的可能性,可谓耗时还耗物。

  既然这样,为什么还要不断试错呢?原因在于,人类对于化学反应的微观机制不够了解,只能通过试错表现出的化学活性差异一步步进行筛选。其中一个难题就是反应活性位,即一个催化反应应在催化剂什么位点上发生。

  催化实验工作者花了近百年试图回答这个问题,但成效甚微。基于密度泛函理论的计算化学产生后,给予了改变这一局面的机会。

  对于胡培君来说,密度泛函理论就是他的画笔,它使用电子密度表述体系能量。可以说,有了密度泛函理论计算,才有了现代理论催化。

  在画笔的帮助下,胡培君课题组发现了反应活性位的基本规律,并提出了预测反应活性位的理论架构。

  幸运与传承

  在人群中,一眼就可以辨认出胡培君:瘦弱而精神,亲切而随和。华东理工大学化学学院副教授王海丰从学生时代开始,就跟着胡培君做科研。在他看来,“老师是一个非常有魄力的人",对科学研究具有相当的前瞻性。

  “他不满足于计算催化在传统化工领域的应用和研究,希望能更多地在光电化学中展开研究,寻找可替代白金的电极催化材料就是其中一个方面。"王海丰说。

  胡培君总说自己是一个幸运的人,但事实上,伴随着幸运的永远是付出和努力。

  “他是一个非常学术化的专家,会把大部分时间花在思考问题上。"王海丰说,作为外籍教授,胡培君每年在国内的工作时间有五个月左右,还要顾念在国外患病的妻子。

  胡培君是一个敢想敢干的人,他也希望年轻人在做科研时能大胆探索。“胡老师对我影响很大。"王海丰说,无论是在学术上,还是在培养学生上,他都深受胡培君的影响。“我会很自然地把老师的一些理论和方法传递给我的学生。"

  以前,胡培君希望自己的一生能解决1~2个重要的催化问题。现在看来,已超过他的预期。“在未来5~10年,计算化学的价值将会更大。"胡培君说,计算化学解决了化学领域的一些经典科学问题,也大大提高了催化剂应用研究的效率,“中国在这一领域的水平正在迅速提高"。