功能导向过渡金属化合物析氢反应电催化剂的理论设计与性能研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21873017
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Fossil fuel is going to deplete. Moreover, the consumption of fossil fuel causes serious environmental problems. As a consequence, it is rather urgent to to develop new alternative clean and sustainable energy resource. Hydrogen is an efficient and green energy with great prospects. Compared with the other hydrogen production methods, electrocatalysis for splitting water to produce hydrogen has significant advantage, in which the performance of catalyst plays a key role. However, the low performance and high cost of existing catalysts limit their large-scale application, waiting for new catalysts with high performance and low cost. Previously, theoretical design of catalysts was usually based on single performance target. However, synergistic effect of multi-performance is of great significance for high performance catalysts. In this project, functional orientation is performed with multiple objectives (free energy, energy barrier of reaction, conductivity, and stability) in combination with swarm intelligence structure prediction method and first-principle calculations. In view of the catalytic activity of materials in various stoichiometries and in different dimensions, we focus on transition metal phosphides, carbides, nitrides, and sulfides to design electrocatalytic materials with low cost and excellent performance from multiple dimensions (three-dimensional crystals, two-dimensional materials, zero-dimensional clusters), accelerating the development process of hydrogen energy. In addition, combining with the latest experimental research progress, we determine the surface structure and composition, active site, catalytic mechanism, and interaction between catalyst and electrode of new catalyst, providing theoretical basis for the performance improvement.
化石能源日趋枯竭以及化石能源消耗引发的环境问题日趋严重,开发清洁、可持续发展新能源迫在眉睫。氢气是有巨大发展前景的高效绿色能源。相比于其它制氢方法,电催化分解水具有显著优势,其中催化剂性能是高效电催化分解水制氢的关键。然而,现存催化剂的性能和成本限制其大规模应用,亟待开发设计高性能催化剂。此前催化剂的理论设计以单一性能为目标,高性能催化剂需要多性能协调统一。本项目以多目标为功能导向(反应自由能、反应能垒、导电性和稳定性),结合群智能结构预测方法与第一性原理计算,以过渡金属磷、碳、氮、硫化物为研究对象,兼顾变化学组分和材料在不同维度下的催化活性,多维度(三维晶体、二维晶体、零维团簇)地设计性能优越的电催化剂,加快氢能源的研发进程。同时,结合实验最新研究进展,确定新型催化剂的表面结构及组分、活性位点、催化机理和催化剂与电极之间的相互作用,为性能改进提供理论依据。

结项摘要

高效电催化分解水急需设计与研发性能优异的催化剂。本项目在国家自然科学基金支持下,利用第一性原理计算方法,提出18个高稳定性和高导电性的候选结构,优选出6个性能优异的析氢反应催化剂(FeP3、FeC6N、Mo2P3、La3C2、MoCP和MoCN),取得了一系列创新性成果。研究结果表明,优化结构中金属含量能够有效调控非金属原子的电荷数,实现了非金属原子对氢的有效吸附,提升了活性位点密度;利用量子限域效应,稳定了含新奇配位数的结构,有效地提升析氢反应活性;发现了催化剂的活性位点密度与金属原子在费米能级处轨道占有率呈负相关的规律;探索了缺陷和应变对催化活性的调控。我们的工作为实验合成高性能电催化剂提供了重要科学参考。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(4)
专利数量(0)
Achieving high hydrogen evolution reaction activity of a Mo2C monolayer
实现Mo2C单层的高析氢反应活性
  • DOI:
    10.1039/d0cp05053a
  • 发表时间:
    2020-12-07
  • 期刊:
    PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Lou, Huan;Yu, Tong;Yang, Guochun
  • 通讯作者:
    Yang, Guochun
Au with sp3 Hybridization in Li5AuP2
Li5AuP2 中 Au 与 sp3 杂交
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.1c03609
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    The Journal of Physical Chemistry Letters
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang Xiaohua;Du Xin;Wei Yadong;Yang Zeng;Li Xing;Yang Guochun
  • 通讯作者:
    Yang Guochun
Anisotropic and High-Mobility C3S Monolayer as a Photocatalyst for Water Splitting
各向异性和高迁移率 C3S 单分子层作为水分解光催化剂
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.1c02430
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Physical Chemistry Letters
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Tang Meng;Wang Bo;Lou Huan;Li Fei;Bergara Aitor;Yang Guochun
  • 通讯作者:
    Yang Guochun
Computational predictions of two-dimensional anode materials of metal-ion batteries
金属离子电池二维负极材料的计算预测
  • DOI:
    10.1002/wcms.1473
  • 发表时间:
    2020-03-18
  • 期刊:
    WILEY INTERDISCIPLINARY REVIEWS-COMPUTATIONAL MOLECULAR SCIENCE
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Lin, Jianyan;Yu, Tong;Yang, Guochun
  • 通讯作者:
    Yang, Guochun
Janus MoPC Monolayer with Superior Electrocatalytic Performance for the Hydrogen Evolution Reaction
Janus MoPC 单分子层在析氢反应中具有卓越的电催化性能
  • DOI:
    10.1021/acsami.1c20114
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    ACS Applied Materials & Interfaces
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Lou Huan;Yu Guangtao;Tang Meng;Chen Wei;Yang Guochun
  • 通讯作者:
    Yang Guochun

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其他文献

结直肠癌患者癌结节分期方法的初步研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中华结直肠疾病电子杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘洪雁;李强;杨国春;杨之斌;蔡昕怡;陈洪刚;潘定国;李云峰
  • 通讯作者:
    李云峰
Element substitution of kesterite Cu2ZnSnS4 for efficient counter electrode of dye-sensitized solar cells
黄锌锡矿Cu2ZnSnS4的元素替代用于染料敏化太阳能电池的高效对电极
  • DOI:
    10.1038/s41598-018-26770-1
  • 发表时间:
    2018-06
  • 期刊:
    Scientific Reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    芦爽;杨焕英;李飞;王莹琳;陈士新;杨国春;刘益春;张昕彤
  • 通讯作者:
    张昕彤

其他文献

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    面上项目
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  • 资助金额:
    19.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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