学院概况
师资力量

顾晓

时间:2015-10-06  来源:  作者:

 

教育学术背景:

重庆大学,应用物理系(2014-                                研究员

 

复旦大学,计算物质科学实验室,环境科学与工程系(2010-2014)    副研究员

 

清华大学,化学系(2011)                                       访问学者

 

加拿大英属哥伦比亚大学,先进材料与过程工程实验室(2007-2009)  博士后

 

香港中文大学,化学系(2004)                                    研究助理

 

复旦大学,物理学系(2002-2007)                                 博士

 

复旦大学,物理学系 (1998-2002)                                学士

获奖情况:

1.    国家自然科学二等奖(2012,第四作者)

2.    上海市科学技术一等奖 (2009,第三作者)

3.    研究生时期:中国2008年度百篇最有影响论文 (ACS Nano 2, 897)

4.    大学时期:复旦大学专业奖学金,复旦大学人民奖学金复旦大学免试直接攻读博士学位(无需硕士学位)

5.    高中时期:江苏省高中化学竞赛三等奖;苏州市高中物理竞赛三等奖;希望杯数学竞赛铜牌,江苏省三好学生

 

主要科研经历和内容:

   主要从事先进材料,材料微观结构及其性质现象的理论研究和模拟,计算物理方向。利用大型计算机来计算模拟物理体系的

 

各项物理化学性质。例如基于第一性原理分析纳米尺度体系的结构和物性,研究其不同于大尺度体系的特殊结构和性质,包括几何结

 

构,电子结构等等。研究结构成分缺陷,以及复杂界面的构成,稳定性和电子组态,并运用分子动力学模拟其转变,扩散等过程。担

 

任了美国化学学会(ACS) Member,美国物理学会(APS) Member Elsevier杂志,ACS杂志 Reviewer

1.                先进材料:

A.      锂离子电池:

研究了电极材料中的质子污染的问题,解析由氢离子,锂离子浓度之间的关系,分析在各种电极材料中这两者相互竞争下的关系。重点研究质子对锂离子正常嵌入,扩散,脱出的影响。进一步确立了电解液中氢离子浓度和锂离子浓度对电极材料反应的竞争作用,确立了其线形边界的相图,并被实验所证实。

(1). 水系锂电池中质子嵌入引起的失效机理。

我们的理论研究发现,质子是被层状结构中的氧离子所束缚,偏离了原来锂离子的嵌入位置。而这个偏离使得质子在层状结构中的扩散比锂离子要困难。因为和氧离子的结合使得质子的结合能降低了2个电子伏特。我们的理论计算同时也发现,质子倾向于结合在锂离子空位较多的区域。而质子的存在也严重影响锂离子的嵌入和扩散。我们发现在质子缺陷周边的锂离子的结合能会下降,在宏观表现为部分锂离子的工作电压的降低。质子的存在同时也严重影响锂离子的扩散。如果在锂离子的扩散路径上有质子缺陷,那么其扩散势垒会增加35倍以上。由于钴酸锂的层状结构,一定量的质子嵌入就会严重影响它的正常工作。我们的实验也验证这些现象。

(2). 水系锂电池中质子和锂离子的竞争机理。

正极材料在含Li+水性电解液的电化学稳定性是严格依赖于溶液的pH值。我们发现H+Li+的竞争反应。我们根据热力学分析,通过第一原理方法计算证明了材料稳定时的临界pH值。其实际上是由锂离子和H+离子在正极材料的结合能的差异以及其化学势确定的。我们证明正极材料正常工作的必要条件:

这个结果表示,锂离子和氢离子的浓度确实主导着反应方向。当氢离子的浓度是pH值大于式中的要求,则电池材料可以正常工作。我们通过实验在三元材料中验证了这个关系式。

B.脱销反应中的催化剂:

(1). 抗水的脱销反应催化剂

二氧化锰在处理NONH3反应时的抗水性机理

(2). 研究了二氧化锰表面负载银颗粒时的催化情况

(3).抗碱脱销催化剂的研究。

在脱硝反应中抗碱金属污染的微观理论研究中,确定了催化剂具有两种活性位,即表面的催化反应活性位和内部孔道的抗碱活性位,这使HMO具有良好的抗碱能力。我们发现在一般的反应条件下,附着在HMO表面催化活性位上的钾离子可以自发地迁移计入内部孔道,防止表面催化活性位失活。基于HMO的这种自抗碱功能,HMO结构的晶体可以在现当今燃煤提供主要能源的时代为环境保护发挥重要作用。

2.                纳米科学:

A.       纳米颗粒(团簇)

通过寻找全局最小值方法,来确定纳米团簇的几何结构,并运用第一性原理计算其物理性质。成功预言了和碳60分子结构共轭的金32团簇。后续研究有金3458等团簇的几何结构,电子结构性质。并通过修改传统凝胶模型,成功解释金32特殊结构存在的机理。(金纳米团簇的文章[24]已被引用超过10032 团簇的壳型结构,以前只有碳原子这类共价性非常强的体系才会形成巴基球,碳纳米管等此类壳层中空的结构。我们的研究使得金属性非常强的金原子在小尺寸,特别是亚纳米尺度下有更为广泛的研究前景,并得到了广泛关注,目前该文章已经有超过100 次的引用。关于团簇内容的研究,得到了国际同行的普遍认可和关注。欧洲科学院院士、国际知名专家Pyykkö 教授在综述文章中指出:‘最有趣的近期预言是Au32 的笼子结构’。在小尺寸团簇方面取得了新颖的研究结果之后也提出理论模型解释金元素在此尺度上的特殊性质[16]。随后有关金团簇方面的研究一直处于研究的前沿,2008年关于低对称性金团簇的文章获得了当年度全国最有影响力的百篇论文[15]。关于Au团簇的文章已经有超过300次引用。

Au团簇的相关理论研究于 2009 年获得了上海市科学技术一等奖;并于2012年获得国家自然科学二等奖。

2011年,发现了一个奇异的异质团簇系列: M@Li16(M= Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf)。它16个配位的结构,电子结构更是保留了完美的“超原子”结构。如此特殊的物理化学性质,以及六种以上替代元素的出现更是让我们看到了在功能化团簇中寻找类似的结构的可能性。[8]

B.      Au纳米管的结构转变

通过静力学模型研究金纳米管在结构转变中的物理性质。

3.                极性薄膜:

a)    分子束外延生长薄膜:

分子束外延生长过程中,由衬底导致的压缩或拉伸的性质研究。包括褶皱、旋转和空位重排等等性质。通过计算柏松比的外推,和编写在有限体积下缺陷结构的穷举算法,得到正确的物质结构

b)    极性薄膜和异质结中的电子再构。

在极性薄膜和异质结中的极性问题。由能隙导致的电子再构不完全现。定性定量的研究了电子转移补偿机制中能隙起到的作用。

4.                原子分子的扩散:

a)      铁中杂质的扩散

计算铁颗粒晶界上杂质的扩散问题。第一原理计算晶体界面结构、杂质缺陷的存在方式、形成能以及空位、杂质的扩散势垒、磁性变化。

b)      铁中杂质的扩散:

将带约束条件的分子动力学方法嵌入数值算法,采用经验相互作用势模拟分子晶体中溴乙烯分子的扩散方式。

 

代表性论文:

[1].   Electronic Metal- Support Interactions in Single- Atom Catalysts

Pingping Hu, Zhiwei Huang, Zakariae Amghouz, Michiel Makkee, Fei Xu, Freek Kapteijn, Alla Dikhtiarenko, Yaxin Chen, Xiao Gu and Xingfu Tang, Angewandte Chemie-International Edition, 53 (13), 3418-3421 (2014).

[2].   A "Smart" Hollandite DeNOx Catalyst: Self-Protection against Alkali Poisoning. 

Huang, Z. W.; Gu, X.; Wen, W.; Hu, P. P.; Makkee, M.; Lin, H.; Kapteijn, F.; Tang, X. F., Angewandte Chemie-International Edition, 52 (2), 660-664 (2013).

[3].   Proton-Induced Dysfunction Mechanism of Cathodes in an Aqueous Lithium Ion Battery.

Shu, Q.; Chen, L.; Xia, Y. Y.; Gong, X. G.; Gu, X.*, Journal of Physical Chemistry C, 117 (14), 6929-6932.(2013)

[4].   Superatomic orbitals in sixteen-coordinate M@Li-16 bonded by metallic bonds

Gu, X.*; Chen, G.-h.; Ji, M.; Yao, Y.-x.; Gong, X.-g., Nanoscale , 4 (8) 2567, (2012).

[5].   Catalytically Active Single-Atom Sites Fabricated from Silver Particles.

Huang, Z.; Gu, X.; Cao, Q.; Hu, P.; Hao, J.; Li, J.; Tang, X., Angewandte Chemie-International Edition, 51 (17), 4198 (2012).

[6].   First-Principles Study of H(+) Intercalation in Layer-Structured LiCoO(2). 

Gu, X*.; Liu, J. L.; Yang, J. H.; Xiang, H. J.; Gong, X. G.; Xia, Y. Y.,Journal of Physical Chemistry C,  115 (25), 12672-12676 (2011).

[7].   Relativistic effects and the unique low-symmetry structures of gold nanoclusters.

Huang, W.; Ji, M.; Dong, C. D.; Gu, X.; Wang, L. M.; Gong, X. G.; Wang, L. S.,Acs Nano, 2 (5), 897-904.(2008)

[8].   Au-34(-): A fluxional core-shell cluster.

Gu, X.; Bulusu, S.; Li, X.; Zeng, X. C.; Li, J.; Gong, X. G.; Wang, L. S.Journal of Physical Chemistry C, 111 (23), 8228-8232.(2007)

[9].   Experimental and theoretical investigation of the electronic and geometrical structures of the Au-32 cluster.

Ji, M.; Gu, X.; Li, X.; Gong, X. G.; Li, J.; Wang, L. S. Angewandte Chemie-International Edition, 44 (43), 7119-7123.(2005)

[10]. Au-N clusters (N=32,33,34,35): Cagelike structures of pure metal atoms.

     Gu, X.; Ji, M.; Wei, S. H.; Gong, X. G. Physical Review B, 70 (20), 5.(2004)

 

        感兴趣的同学可以与我联系, email: gx@fudan.edu.cn, 同时欢迎本科生同学参加本组学习科研活动!

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