计算名人堂||理论与计算大牛Jens Kehlet Nørskov
2023年，注定是不平凡的一年！从本期开始，我们将对理论与计算领域的大牛，对之前的成果工作进行简单汇总，希望能够为科研工作者们提供一些思路及想法。本期为2023版新版名人堂介绍，本期为第16期。
名人介绍
Jens Kehlet Nørskov，1976年硕士毕业于丹麦奥胡斯大学(Aarhus University)物理化学专业，1979年于同校获理论物理博士。1987年-2010年，任教于丹麦科技大学。2010年-2018年，受聘于斯坦福大学化工系，并担任斯坦福大学界面科学与催化中心(SUNCAT)主任。2018年7月起，Nørskov教授重回丹麦科技大学物理系。Jens Nørskov教授是计算化学领域的领军人物，其主要研究方向包括表面化学、异相催化、光电催化等理论计算研究，其课题组提出了用于描述催化反应活性的“描述子”，推动了对反应活性与选择性的理解，促进了新材料的开发。
Nørskov教授主要从事催化基础理论的相关研究，从电子层面出发，对催化反应规律进行描述，为催化剂设计做出了很多杰出贡献，近年来，在软件开发、算法研究、合成氨和燃料电池领域均有重大进展。特别是他提出的d-band center理论是目前计算化学领域应用最广泛的经典理论之一，推动了电催化领域的发展。截止目前，据Google Scholar统计，发表文章多达580余篇，总被引次数高达217131，H-index为217。
ACS Catalysis：调节锑酸锰在氧还原反应中的催化活性和选择性的策略
提高非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂性能的策略，有助于实现燃料电池设备的成本效益。电催化剂性能通常通过两种方法得到改善：增加活性位点数量和提高活性位点的内在活性。在此，研究者利用这两种方法来提高MnSb2O6的性能，研究者最近证明了这种材料由于在反莫合金结构中金属-位点活性的改进而具有潜力作为ORR催化剂。首先，电极工程被用于研究质量和导电支持负载在观察到的ORR性能和选择性中的作用。发现明显的2电子选择性随着质量和/或导电支持负载的增加而降低，这表明旋转环形盘电极研究并不一定测量催化剂的固有选择性。其次，理论计算被用于确定铬、铁和镍作为提高MnSb2O6固有活性的第一族过渡金属的潜力。实验上，添加铬导致0.7伏特时的质量和比表面积分别增加了3倍和2倍。这种增强是由于添加铬调节了活性位点结构和Mn氧化状态所致。通过这些研究，研究者对影响ORR性能的内在和外在因素有了更深入的了解。
参考文献：
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.
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c01764
2.JPCC：二维过渡金属二硫化物的析氢反应研究
理解二维过渡金属二硫属化物(2D-TMDs)上的氢解离反应(HER)行为，对于开发具有更好活性的非贵金属HER电催化剂至关重要。在这项工作中，研究者通过结合密度泛函理论计算和微动力学建模，彻底研究了2D-TMDs上的HER机制。研究者发现模拟电池大小与计算出的氢吸附能和MoS2的激活势垒之间存在重要依赖关系。与以前为Heyrovsky反应提出的“H迁移”机制不同，研究者认为Mo位点仅充当稳定过渡状态而不是氢吸附。与过渡金属电催化剂相比，研究者发现在2D-TMDs上Heyrovsky反应的激活势垒与过渡金属的激活势垒大致相同，除了所有激活能都向上移动约0.4电子伏特。这种较高的Heyrovsky激活势垒导致了2D-TMDs活性显著降低。研究者进一步表明，这种较高的激活势垒源于吸附在硫化物上的更正电荷氢与即将到来的质子相互作用，相互排斥。基于这些见解，研究者讨论了设计具有与Pt相当活性的非贵金属HER催化剂的潜在策略。
参考文献：
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.
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.1c10436
3.Nature Communications：催化合成氨的自旋促进效应
高效氨合成的需求与以往一样紧迫。在过去的二十年中，已经报道了许多在温和条件下寻找新催化剂用于氨合成的尝试，尤其是引入了许多传统K和Cs氧化物之外的新催化速率促进剂。在此，研究者概述了最近实验结果中的非传统促进剂，并开发了一个综合模型来解释它们是如何工作的。该模型有两个组成部分。首先，研究者确定了不同促进剂存在时活性位点最可能的结构。然后，研究者表明有两种效应决定了催化活性。一种是吸附的促进剂与N-N离解过渡态之间的静电相互作用。此外，研究者还发现磁性催化剂的新促进作用导致了异常大的激活能降低，为寻找新的氨合成催化剂打开了可能性。
参考文献：
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
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30034-y
4.PCCP：过渡金属掺杂氧化铌的氧还原电催化分析(110)
好的氧还原反应(ORR)催化剂，应该在电化学反应条件下稳定且活性高。铌五氧化物(Nb2O5)已知在ORR条件下是稳定的，但它具有较大的能带隙，这使得反应期间的导电性成为一个挑战。在本工作中，研究者旨在了解使用过渡金属掺杂对铌五氧化物110面进行表面修饰，是否对其ORR活性和导电性产生任何影响。尽管过渡金属氧化物(TMOs)的导电性问题，可以通过过渡金属掺杂部分解决，但它对掺杂体系的ORR活性几乎没有影响。
参考文献：
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.
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CP/D1CP05725A
5.JPCC：羟基结合能作为过渡金属表面零电荷势的通用描述符
零电荷潜力(UPZC)是金属-水界面的重要参数，在许多电化学应用中起着核心作用。在本文中，研究者使用第一性原理分子动力学(AIMD)模拟研究了大量(111)、(100)、(0001)和(211)过渡金属-水界面及其叠加层，以确定预测其UPZC的简单描述符。研究者发现水覆盖度与工作函数降低Δφ之间存在良好的相关性，Δφ由真空中的工作函数与含水环境中的工作函数之间的差异定义。此外，研究者确定了H2O和OH物种的真空结合能作为预测水覆盖度和Δφ的良好描述符。研究者的洞察统一了不同面几何和混合金属表面，从而推广了最近的观察结果。研究者进一步提出了一种仅基于OH结合和静态DFT计算估算的真空工作函数来预测UPZC的方案。该形式适用于所有研究过的金属和混合金属表面，包括梯级和台阶几何，并且不需要昂贵的AIMD模拟。为了评估对UPZC的物理影响，研究者将Δφ分解为其定向(Δφorient)和电子(Δφel)成分。研究者发现Δφorient是一个面依赖性属性，是(211)表面上Δφ的主要贡献者，而Δφel强烈地依赖于金属身份。
参考文献：
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.
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.1c10362
https://mp.weixin.qq.com/s/6jaHyNRRy3XdEkxTFD9xBg
