教授-吉林大学理论化学计算实验室

教授

陈巍
职  称:
教授,博士生导师
专  业:
物理化学
研究方向:
新型纳米催化剂设计及催化反应机理的理论研究,新型功能纳米材料的结构设计及性能研究,革新非线性光学材料的设计及理论研究
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w_chen@jlu.edu.cn
办公室:
吉林大学前卫北区科技楼502
实验室:
吉林大学前卫北区科技楼516
个人简历

陈巍,女,博士,教授(破格晋升),博士生导师(物理化学专业),引进人才,学术骨干。

截至目前,已在国际知名学术刊物上发表SCI论文70余篇(他引近1300次),基本都发表在影响因子4.0以上的杂志上(包括一作/通讯作者在影响因子>10.0的学术期刊上发表J. Am. Chem. Soc. 4篇、Angew chem. Int. ed. 2篇,Adv. Funct. Mater. 1篇)。已相继被J. Am. Chem. Soc.、Angew chem. Int. ed.、J. Mater. Chem.、J. Phys. Chem.、Phys. Chem. Chem. Phys.、RSC Adv.等国际权威杂志聘为审稿人。


主要学习与工作经历:

2012-至今, 吉林大学理论化学研究所教授(破格晋升),博士生指导教师
2009-2012, 吉林大学理论化学研究所副教授,  引进人才,学术骨干,硕士生指导教师
2009-2010,  美国波多黎各大学化学系博士后
2006-2008, 日本九州大学日本学术振兴会博士后(JSPS Post-Doctoral Fellow)
2001-2006, 吉林大学理论化学研究所(硕博连读), 获博士学位


科研项目:

主持自然科学基金面上项目,教育部博士点基金项目,吉林省科技厅项目,吉林省教育厅重点项目,吉林大学国家杰出青年科学基金后备人选培育计划项目,吉林大学引进人才科研配套经费及科研启动费。

研究兴趣

   陈巍教授近期的研究工作主要集中在新型纳米催化剂设计及反应机理的理论研究;新型纳米材料的设计和性质研究;新型高性能非线性光学材料的理论设计等研究方向。目前本课题组的研究主要针对高效催化剂以及功能材料设计中手段的创新和实际问题的解决,通过探索结构与物性之间的关系,揭示其内部机理,总结一般性规律,为相关的实验工作提供全新思路和可靠的理论信息,主要研究方向如下:

(一) 高性能析氢催化剂设计及机理研究:

   自从工业革命以来,人类生产力的高速发展都是建立在对化石能源大量消耗的基础上的;随着经济的发展,这种依赖变得越来越强烈。化石能源的不可再生性以及过度开发和使用所引起的生态和环境污染问题已经严重制约了当前经济的发展。无疑,寻找清洁环保的新能源已成为全球经济持续发展的必要条件,是近年来全世界各国亟待解决的重要问题。
    氢能源被公认为人类未来的完美新能源。水是地球上最为丰富的资源,因而水电解制氢是人们最关注的一种制氢方案,高效的催化剂是该方法实施的关键。目前,贵金属Pt被公认为是最好的固态析氢催化剂,然而其高昂的成本严重制约了水电解制氢方法的大规模应用。因此,设计廉价高效的新型催化剂已经成为各国研究者追逐的目标。
    最近,基于非贵金属的新型高效催化剂的研究已经引起研究者的广泛关注。计算机模拟在化学领域扮演着越来越重要的角色,量子化学计算方法能够在电子尺度上研究原子之间的相互作用,对于体系的电子结构、物理化学性质、反应活性以及反应机理等方面均能够在微观角度提供科学详实的理论信息。理论计算可以为实验研究工作提供科学的指导,能免去大量盲目的实验消耗,是节约成本且行之有效的途径。

    本课题组近期开展的过渡金属析氢催化剂的理论工作已取得了系列可喜成果,给予了相关实验工作很好的启示。例如,我们在理论上研究了氮掺杂碳层包裹的Mo2C纳米粒子体系的析氢催化活性和微观机理,研究发现Mo2C纳米粒子和氮原子的协同作用使体系产生了复杂的电荷转移过程(Mo2C→C→N),使邻近氮原子的碳原子成为活性位,在析氢反应中起到高效的催化作用;进一步的实验结果也表明该体系在全pH范围(pH 0-14)内有非常高的析氢催化活性。该研究不但提供了一类高效的析氢催化剂,其从原子层面揭示的微观机理也有助于人们对于其它碳包过渡金属析氢催化剂的探索。该研究成果已发表在国际知名学术杂志Angew. Chem. Int. Ed.(2015, 54, 10752,影响因子11.261)上。

   此外,我们也在理论上研究了Ni3S2体系的高指数晶面在电解水反应中的析氢催化性能。众所周知,晶体结构的一些高指数面可能具有更好的催化活性,但由于具有较高的表面能,其在实验上通常比低指数晶面难获得。因此,我们可以发挥理论研究的优势,先行探索一些高指数晶面的微观结构,并研究其析氢催化活性,为推动后期实验合成提供可靠理论线索。例如,我们最近理论发现Ni3S2体系的高指数(-210)晶面具有台阶式的微观结构,能明显降低表面原子的配位数和空间位阻,从而使体系表现出高的析氢催化活性,这一发现已经被进一步的实验结果所证实。该成果已发表在国际知名学术杂志J. Am. Chem. Soc.(2015, 137, 14023-14026, 影响因子12.113)上,并作为封面文章重点推荐。

(二) 革新低维纳米材料的电学和磁学性质研究:

   目前,由于具有独特的电学、磁学、光学和力学等性质,低维纳米材料的研究已经引起研究者的广泛关注。然而其在实际应用过程中存在诸多瓶颈问题,例如,“石墨烯具有零带隙半导体特性”、“碳纳米条带边缘容易发生重构”、“锯齿型无机SiC纳米条带的铁磁态和反铁磁态能量简并”、“BN纳米材料具有过宽的带隙”等系列问题都严重阻碍了这些优越材料在功能纳米器件等领域中的实际应用。基于此,近几年本课题组在低维纳米材料的结构设计以及电磁学性质研究方面已开展了系列工作去解决这些材料在应用过程中遇到的瓶颈问题,并取得了系列创新性研究成果。

例如,我们提出了一种简单有效的方法去调控BN纳米条带宽的带隙:即通过控制氢化比例实现其半导体→半金属→金属的丰富电学行为转变。我们的研究表明氢化过程能有效改变BN纳米条带宽的带隙。通过控制不同的氢化比例,BN纳米条带可以表现出丰富的电学和磁学性质:随着氢化比例的增加,其可以实现从半导体到半金属再到金属的电学行为转变,同时伴随着非磁到铁磁的磁学行为转变。

    该成果得到审稿人的高度好评,已在国际高水平的学术杂志J. Am. Chem. Soc.上发表他们认为该研究提供了一种能控制并丰富BN纳米条带电学性质的方法,从而使其能很好地应用到纳米电子器件的设计中。这一研究成果一经发表就被知名网站nanowerk(是美国著名的纳米科学与技术网站,每天发布纳米科技和产业方面的最新动态)重点推荐(http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=15647.php),并引起了实验学家的浓厚兴趣。例如,日本RIKEN Advanced Science Institute的Kobayashi研究员课题组通过“femtosecond laser ablation”技术得到了一些BN氢化结构的阳离子碎片(J. Chem. Phys., 2011, 135, 204504);美国波多黎各大学Peter Feng教授课题组利用“H plasma beam”技术获得了氢化的BN纳米结构,并进一步通过实验证实了我们提出的“氢化是一种能够突破BN体系宽带隙瓶颈的有效手段”的理论观点(Beilstein J. Nanotechnol. 2014, 5, 1186)。这些研究将有利于推进低维无机BN纳米材料在多功能纳米器件和纳米自旋器件等领域中的广泛应用。

(三) 新型非线性光学材料的设计及理论研究:  

   随着信息技术的迅猛发展,非线性光学材料在光通讯、光存贮、光信息处理、光计算机等领域均发挥着极其重要的作用,因此高性能非线性光学材料的设计与研究工作,一直备受国内外科研工作者的高度重视。国际上已广泛研究的非线性光学物质主要包括无机晶体、带有给受体基团的有机π共轭体系、碳笼衍生物和有机金属化合物等。这些研究极大丰富了高性能非线性光学材料的设计思想。

    与传统研究不同,我们把非线性光学性质研究首次聚焦到新奇的含额外电子体系,并得到重要的新发现:即额外电子能够显著提高体系一阶超极化率(高达百万倍)的现象。这主要是由于额外电子的高度弥散特性使其容易被极化,大大降低了体系的激发能。基于此,我们设计了系列有望室温稳定的含额外电子的化合物。例如,在传统的有机电子化物和碱金属化物配体中,C-O键在额外电子存在下容易发生还原裂解导致其在室温下不稳定。为了突破该瓶颈,我们利用含C-N键的calix[4]pyrrole作为配体,将Li原子插入其中,成功设计了电子化物Li@calix[4]pyrrole和碱金属化物Li+(calix[4]pyrrole)M? (M=Li, Na 和 K)。此类新型分子具有相当大的第一超极化率(约7.3×103~2.4×104 au,比calix[4]pyrrole单体提高20-60倍);由于对比C-O键,配体中C-N键可以抵抗额外电子的还原,因此有望在室温下稳定存在。这些创新性成果已在国际高水平学术杂志J. Am. Chem. Soc上发表。


荣誉奖励
2014年荣获 “吉林省优秀海外归国人才”称号,并获得“吉林大学国家杰出青年科学基金后备人选培育计划”支持。
代表性论文

代表作 (影响因子>10.0):

1. Angew. Chem. Int. Ed., 55, 11442-11446, 2016.(通讯作者)
2. J. Am. Chem. Soc., 137, 14023-14026, 2015. (通讯作者)封面文章、亮点文章、高被引论文、热点论文
3. Angew. Chem. Int. Ed., 54,10752 –10757, 2015.(通讯作者)扉页文章、高被引论文
4. Adv. Funct. Mater., 23, 1507-1518, 2013. (指导学生,本人二作)内封面文章
5. J. Am. Chem. Soc., 132, 1699-1705, 2010. (一作)高被引论文

6. J. Am. Chem. Soc. Commun., 128, 1072-1073, 2006. (一作)
7. J. Am. Chem. Soc., 127, 10977-10981, 2005. (一作)

近期发表论文

1. Shen XP, Yu GT*, Zhang ZS, Liu JW, Li H, Huang XR, Chen W,* Covalent surface modification with electron-donating/accepting p-conjugated chains to effectively tune the electronic and magnetic properties of zigzag SiC nanoribbons, J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 2022~2032
2. Chen H, Yu GT, Li GD, Xie TF, Sun YH, Liu JW, Li H, Huang XR, Wang WJ, Asefa T,* Chen W,*  Zou XX,* Unique Electronic Structure in a Porous Ga-In Bimetallic Oxide Nano-Photocatalyst with Atomically Thin Pore Walls, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11442-11446.
3. Sun YH, Yu GT, Liu JW, Shen XP, Huang XR, Chen W,* Realizing diverse electronic and magnetic properties in hybrid zigzag BNC nanoribbons via hydrogenation, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 1326-1340.
4. Feng LL, Yu GT, Wu YY, Li GD, Li H, Sun YH, Asefa T,* Chen W,* Zou XX*, High-Index Faceted Ni3S2 NanosheetArrays as Highly Active and Ultrastable Electrocatalysts for Water Splitting, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 14023-14026.
5. Liu YP, Yu GT, Li GD, Sun YH, Asefa T,* Chen W,* Zou XX*, Coupling Mo2C with Nitrogen-Rich Nanocarbon Leads to Efficient Hydrogen-Evolution Electrocatalytic Sites, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 10752-10757.
6. Zhang XY, Yu GT, Chen W,* Huang XR,* The Theoretical Investigation on the Nonlinear Optical Properties of the Donor/Acceptor-Decorated the Graphene Nanoribbons with the 5-9 Defect, Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36, 2204-2210. (纪念唐敖庆院士诞辰100周年特刊邀稿)
7. Chen W, Sun YH, Guan J, Wang Q, Huang XR, Yu GT*, Molecular charge transfer via π–π interaction: an e?ective approach to realize the half-metallicity and spin-gapless-semiconductor in zigzag graphene nanoribbon, RSC Adv., 2015, 5, 53003-53011.
8. Yu GT, Huang XR, Li SC, Chen W*, Theoretical Insights and Design of Intriguing Nonlinear Optical Species Involving the Excess Electron, Int. J. Quantum Chem., 2015, 115, 671-679.(Invited review for the Special Issue: Theoretical Chemistry in China; This work is also dedicated to Professor Lemin Li on the occasion of his 80th birthday)
9. Liu D, Yu GT,* Sun YH, Huang XR, Guan J, Zhang H, Li H, Chen W*, Molecular Charge Transfer by Adsorbing TCNQ/TTF Molecules via π-π Interaction: a Simple and Effective Strategy to Modulate the Electronic and Magnetic Behaviors of Zigzag SiC Nanoribbons,  Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 941-950.
10. Chen W, Zhang H, Ding XL, Yu GT,* Liu D, Huang XR, Dihalogen Edge-Modi?cation: an Effective Approach to Realize the Half-Metallicity and Metallicity in Zigzag Silicon Carbon Nanoribbons, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 7836-7850.
11. Yu GT,* Liu D, Chen W,* Zhang H, Huang XR, Introducing the Triangular Defect to E?ectively Engineer the Wide Band Gap of Boron Nitride Nanoribbons with Zigzag and Even Armchair Edges, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 12880?12889.
12. Chen LW, Yu GT,* Chen W,* Tu CY, Zhao XG, Huang XR*, Constructing a Mixed π-Conjugated Bridge to E?ectively Enhance the Nonlinear Optical Response in the Mobius Cyclacene-Based Systems, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 10933-10942.
13. Niu M, Yu GT,* Yang GH, Chen W,* Zhao XG, Huang XR*, Doping the Alkali Atom: An Effective Strategy to Improve the Electronic and Nonlinear Optical Properties of Inorganic Al12N12 Nanocage, Inorganic Chemistry 2014, 53, 349-358.
14. Tu CY, Yu GT,* Yang GH, Zhao XG, Chen W,* Li SC, Huang XR,* Constructing (Super)alkali — Boron-Heterofullerene Dyads: An Effective Approach to Achieve Large First Hyperpolarizabilities and High Stabilities in M3O-BC59 (M=Li, Na and K) and K@n-BC59 (n=5 and 6), Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 1597-1606.
15. Ding XL, Yu GT,* Huang XR, Chen W,* The Donor/acceptor Edge-Modification: An Effective Strategy to Modulate the Electronic and Magnetic Behaviors of Zigzag Silicon Carbon Nanoribbons, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 18039-18047.
16. Yu GT,* Zhao XG, Niu M, Huang XR, Zhang H and Chen W,* Constructing a Mixed π-Conjugated Bridge: A Simple and Effective Approach to Realize a Large First Hyperpolarizability in Carbon Nanotube-Based Systems, J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 3833 - 3841.
17. Guan J, Yu GT,* Ding XL, Chen W,* Shi ZM, Huang XR,* Sun CC, The Effects of the Formation of Stone–Wales Defects on the Electronic and Magnetic Properties of Silicon Carbide Nanoribbons: A First-Principles Investigation, ChemPhysChem, 2013, 14, 2841 – 2852.
18. Guan J, Chen W, Li YF, Yu GT*, Shi ZM, Huang XR*, Sun CC, Chen ZF*, An Effective Approach to Achieve a Spin Gapless Semiconductor–Half-Metal–Metal Transition in Zigzag Graphene Nanoribbons: Attaching A Floating Induced Dipole Field via π – π Interactions, Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 1507-1518.
19. Guan J, Chen W*, Zhao XJ, Yu GT*, Huang XR*, Sun CC, Successive hydrogenation starting from the edge(s): an effective approach to fine-tune the electronic and magnetic behaviors of SiC nanoribbons, J. Mater. Chem., 2012, 22, 24166-24172.
20. Yu GT, Huang XR, Chen W*, Sun CC, Alkali Metal Atom-Aromatic Ring: A Novel Interaction Mode Realizes Large First Hyperpolarizabilities of M@AR (M=Li, Na and K, AR= Pyrrole, Indole, Thiophene and Benzene), J. Comput. Chem., 2011, 32, 2005-2011.
21. Chen W, Li YF, Yu GT, Li CZ, Zhang SB, Zhou Z*, Chen ZF*, Hydrogenation: A Simple Approach to Realize Semiconductor―Half-Metal―Metal Transition in Boron Nitride Nanoribbons, J. Am. Chem. Soc., 132, 1699-1705, 2010.
22. Chen W, Li YF, Yu GT, Zhou Z*, Chen ZF*, Electronic Structure and Reactivity of Boron Nitride Nanoribbons with Stone-Wales Defects, J. Chem. Theory Comput., 5, 3088-3095, 2009. (Highlighted as cover picture (11st issue)).
23. Chen W, Yu GT, Gu F, Aoki Y*, Investigation on the Electronic Structures and Nonlinear Optical Properties of Pristine Boron Nitride and BN/C Heterostructured Single-Wall Nanotubes by the Elongation Method, J. Phys. Chem. C, 113, 8447-8454, 2009.
24. Chen W, Li ZR*, Wu D, Li Y, Sun CC, Gu F*, Aoki Y, Nonlinear Optical Properties of Alkalides Li+(calix[4]pyrrole)M? (M=Li, Na and K): Alkali Anion Atomic Number Dependence, J. Am. Chem. Soc. Commun., 128(4), 1072-1073, 2006.
25. Chen W, Li ZR*, Wu D, Li Y, Sun CC, Gu FL, The Structure and the Large Nonlinear Optical Properties of Li@Calix[4]pyrrole, J. Am. Chem. Soc., 127(31), 10977-10981, 2005.