近日，物理學(xué)院王金蘭教授團(tuán)隊受邀在國際頂級期刊《Chem》(Cell姊妹刊)上發(fā)表題為“How Computations Accelerate Electrocatalyst Discovery”的綜述論文。物理學(xué)院的凌崇益副教授和王金蘭教授分別為文章的第一作者和通訊作者。

隨著全球能源短缺以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，清潔能源的開發(fā)已是迫在眉睫。電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換，能夠在電能驅(qū)動下、將空氣中的小分子（H2O、CO2、N2等）轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)物（H2、CxHyOz、NH3等），從而實現(xiàn)能源與重要化學(xué)原料的綠色、可持續(xù)生產(chǎn)，因此被視為解決當(dāng)前能源短缺與環(huán)境問題的潛在方案之一。缺少高效、穩(wěn)定、價格低廉的電催化劑是限制這一技術(shù)實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，因此電催化劑的研發(fā)一直是該領(lǐng)域研究的重點和難點。在過去的十幾年中，電催化劑的研發(fā)取得了長足進(jìn)步，而理論計算在這個過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

有鑒于此，物理學(xué)院王金蘭教授團(tuán)隊圍繞“計算如何助力電催化劑研發(fā)”，結(jié)合一些經(jīng)典例子，從理解和指導(dǎo)實驗兩個方面，總結(jié)和介紹了理論計算在電催化劑研發(fā)過程中的重要作用。文章首先總結(jié)了理論計算方法與模型的發(fā)展，介紹了不同方法與模型的優(yōu)勢與缺點。其次，在理解實驗方面，作者提出利用理論計算能夠幫助確定活性中心原子結(jié)構(gòu)、描述反應(yīng)機(jī)理以及構(gòu)建活性描述符以理解活性起源，并介紹了基于這些理解而取得的重要研究進(jìn)展。在指導(dǎo)實驗方面，文章結(jié)合一些研究結(jié)果，介紹了如何基于理論計算構(gòu)建的“結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系進(jìn)行催化劑的理性設(shè)計，以及設(shè)計“突破固有線性關(guān)系限制”的高效催化劑的設(shè)計原則。此外，文章也介紹了利用高通量以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段從大量候選材料中來篩選高效電催化劑、指導(dǎo)實驗合成等方面的研究進(jìn)展。

作者還總結(jié)和展望了理論計算在電催化領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)和重要機(jī)遇。其中最主要的問題在于方法和模型的發(fā)展，以實現(xiàn)真實電化學(xué)環(huán)境下的催化反應(yīng)模型，從而對催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性等進(jìn)行定量描述與評估。此外，作者也提出，機(jī)器學(xué)習(xí)在高效電催化劑篩選方面已經(jīng)展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，其優(yōu)點在于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”所賦予的高效率，而其缺點也在于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”所導(dǎo)致大量、高質(zhì)量數(shù)據(jù)的依賴。基于此，作者呼吁研究者們能在自己的研究工作中盡可能的提供準(zhǔn)確、細(xì)節(jié)、可重復(fù)的計算和實驗數(shù)據(jù)，這必然會促進(jìn)電催化劑研發(fā)取得更重要的進(jìn)展。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金重點項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。