5-10、基于材料基因工程关键技术的先进功能材料发现

王俊杰

西北工业大学材料学院材料基因组国际合作研究中心

摘要：材料基因工程已成为当前材料科学与工程学科的重要发展方向。其主旨为通过海量数据构建材料空间的宏观图景，应用机器学习揭示材料性能-成分-结构间的关联关系，进而实现具有预期性能的新材料的高效设计。报告人应用高通量计算筛选、高通量结构预测和机器学习等材料基因工程关键技术，进行了新型电子化合物和范德华材料的理论预测和设计；结合针对性的实验合成、表征和性能测试，成功发现一系列新型材料和结构，并对影响材料物理、化学性能的机制进行了系统研究。报告人所要汇报的研究包括：

（1）高通量计算筛选揭示三元金属间化合物LaCoSi的电子化合物特性、优秀的低温合成氨催化活性和独特的“热原子”催化机制。

在电子化合物（electrides）中，某些电子可视为“最轻的阴离子”：该电子既不像金属中的自由电子，也不在特定原子轨道，却占据阴离子的位置并起“平衡体系电荷”作用，故称为“阴离子性”电子（anionic electron）。因其具有极低的功函数，故该电子化合物在催化、电子、超导等领域具广泛应用前景。目前，该领域的研究重点和难点是：如何高效发现兼具优异性能和化学稳定性的新型电子化合物。报告人通过高通量计算筛选已有数据库，意外发现LaCoSi具有特殊的电子化合物结构：镧（La）四面体间的局域电荷既可极大促进合成氨反应中N₂分子在催化剂表面的吸附和裂解，并兼具出色的化学稳定性。首次揭示了由于LaCoSi具有电子化合物特性和裂解N₂分子的“热原子”机制，所制备LaCoSi催化剂可摆脱对贵金属（如Ru）依赖。该研究发表在Nature Catalysis上，并被评为当期研究亮点（Nature Catalysis, 2018, 1, 178–185.）。

（2）设计了由混合价态氧化锡组成的、带隙可调的一系列无晶格失配范德华材料Sn_xO_y，并在光催化中得到应用。

范德华材料是指层间由弱范德华力连接，层内由共价键结合的层状材料。将不同范德华材料材料以特定次序堆砌可设计和实现不同材料功能。为了超越已有数据库预测新型范德华材料，报告人应用高通量结构预测，从原子开始设计新型无晶格失配范德华材料Sn_xO_y：通过综合进化算法和第一性原理计算，对混合价态（同时含有Sn²⁺和Sn⁴⁺）的氧化锡开展结构预测研究，通过改变Sn/O比例，设计系列全新的范德华结构。首次提出范德华结构及其性能可由晶格相同/相近材料体系组元构建和调控，揭示了改变层状组元的类型和数量可连续调节层间距，进而实现混合价态氧化锡的带隙、光吸收系数等电子性质调控（Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1501190; IF: 21.875）。所发现Sn₅O₆作为稳定材料收录在权威材料基因数据库Materials Project (编号：mp-978114)。

（3）确定石墨相氮化碳g-C₃N₄的晶体结构。

g-C₃N₄是一种层状材料，在光能转化等领域有广泛应用前景，但学术界对g-C₃N₄晶体结构存在较大争议。报告人综合独创的进化组元高通量结构预测策略和实验验证，最终确定其在不同制备条件下的最稳定结构。并首次确定了g-C₃N₄的电子结构，揭示了g-C₃N₄带隙的温度依赖性是由于从亚稳相向最稳相的转变，提出高结晶g-C₃N₄的制备方案，为g-C₃N₄的进一步深入研究和应用提供强有力理论支撑（Chem. Mater., 2017, 29 (7), 2694–2707; IF: 9.890）。

（4）应用材料基因组方法首次预测新型一维电子化合物Sr₅P₃并成功合成。

高通量结构预测可克服高通量计算筛选的不足，实现超越数据库的新型材料设计。但随着所涉元素增加，新材料的成分和结构愈加复杂。为避免高通量结构预测成为一种新式“试错”研究，需在结构预测之前先针对目标性能进行目标成分体系的有效甄别。据此，报告人以元素电负性、原子半径和由阴、阳离子构成的AC_X（A为阴离子，C为阳离子）特征多面体为主要参数，对电子化合物材料的关键“基因”信息进行定量解析，开展始于数据库又超越数据库的新型二元电子化合物的设计。首先，建议Sr-P体系中可能存在新型电子化合物，随之应用高通量变成分结构预测，提出新型一维电子化合物 Sr₅P₃的稳定结构，并成功进行实验验证（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (44), 15668-15680; IF: 14.357）。该研究首次达成“由理论预测所主导的新型电子化合物发现”的跨越，并揭示该一维电子化合物的莫特绝缘体特性，确定其在超导、催化、量子计算等领域具有巨大应用潜力。

关键词：电子化合物，范德华材料，高通量，计算筛选，结构搜索

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.510