水-固界面作用新机制的理论研究

Liquid-solid interaction is a hot topic in fundamental research. Water has long been considered as the simple solvent, while its effects on the structure and properties of the solid surface were neglected. However, recent experimental and theoretical results shown the water effects might be more complicated than we thought. Water molecules could not only participate in the chemcial reactions, but change the structures and properties of solid surface to influence their reactivities. In this project, we will employ the basin-hopping, density-functional theory and neural network alogrithm to develop a fast technique to determine the global energy minimum of the system with 500-2000 atoms based on the first-pinciple calculations. With this method, we will investigate the surface structure evolution of clusters and materials in vacuum and water, and conclude new mechanism of water-solid interaction to understand the water effects on the surface structures. Further, we will combine the empirical molecular dynamics, first-principle dynamics and kinetic Monte Carlo to study the structure and properties of interfacial water. We hope this study not only gives new ideas for designing high-efficient clean catalysts, new hydrophilic/hydrophobic materials, anticorrosive materials, but provides more potential candidates for the future applications.

液-固界面的相互作用是基础研究的热门课题。长期以来，水一直被当作溶剂环境来考虑，而忽视了其对材料表面结构和性质可能造成的影响。但近年来的一些实验和理论结果表明，水的作用可能远比过去想象的复杂。水分子不仅能够直接参与化学反应，也能够通过改变固体界面的结构和物化性质从而间接的影响材料表面的反应活性。在本项目中，我们将首先结合basin-hopping、密度泛函以及神经网络算法，发展能够基于第一性原理的高效处理500-2000个原子的全局寻优算法，以此研究团簇和材料界面在真空和水溶液中的结构变化规律，并总结水-固界面作用的新机制来理解水环境对界面的作用。然后，我们结合经典分子动力学、从头算动力学以及动力学蒙特卡洛算法在上述纳米材料结构的基础上研究界面水层结构以及物化性质变化，为理论设计高效清洁能源相关的催化体系及具有特殊亲/疏水性质和抗腐蚀能力的新材料提供新思路和潜在的备选体系。

水-固界面作用是理解材料在真实过程中分子结构和物理化学性质的关键因素之一。在本项目中，我们运用第一性原理计算、分子动力学模拟结合多尺度模型研究了一系列不同材料和水汽/水溶液的界面相互作用，发现了水环境对于纳米材料的形貌结构、催化性能、光学性质及寿命等都有显著的影响。通过本项目，我们共发表SCI论文36篇，影响因子大于10的论文9篇，包括Nature Communications, Science Advances, PNAS, PRL, JACS, Angew Chem, Nano Letters等国际权威期刊。另各有1篇Science和Nature Catalysis已被接受。我们还进一步自主开发了一个能够准确预测不同环境中纳米材料表面组分、结构和形貌的多尺度理论模型，并通过比较大量实验结果，验证了其可靠性和理论预测的准确性。我们正在将此理论模型进行通用化和软件化，为下一步发展可精确预测纳米材料在真实反应条件下（宏观时间、宏观空间、温度、气压、基底、溶剂等）结构性质和化学反应过程变化的理论模型奠定了基础。