当前位置: 郭伟

正高/准聘教授/特别研究员

姓名:郭伟
所在学科:物理学
职称:正高
联系电话:010-68912632
E-mail:weiguo7@bit.edu.cn
通信地址:北京海淀区中关村南大街5号 北京理工大学物理学院 邮编 100081

个人简历

2002/9 - 2007/8,中国科学院物理研究所,凝聚态物理,理学博士, 导师:高鸿钧院士
1998/9 - 2002/7,中国科技大学,物理学,理学学士

工作经历

2017/1  - 至今,   北京理工大学,物理学院,研究员

2015/3  - 2016/12, 北京理工大学,物理学院,副研究员

2014/11 - 2015/2, 中国科学院物理研究所, 纳米与器件物理实验室,访问学者

2011/10 - 2014/10,美国特拉华大学,化工系(美国化工Top 10,Dion G. Vlachos 研究组),博士后

2008/10 - 2011/4, 丹麦技术大学,物理系,原子结构设计中心 (Jens K. Norskov 课题组,现为斯坦福大学SUNCAT界面 科学与催化研究中心主任),博士后

2007/8  - 2008/9,德国马普学会柏林Fritz-Haber研究所(Matthias Scheffler 课题组),博士后

科研方向

  1)第一性原理材料计算:动力学模型以及计算方法的程序开发;多尺度体系计算;表面物理与化学过程、分子自组装吸附;表面催化和反应动力学模拟;多尺度体系计算模拟;

  2)量子功能材料设计:金属core-shell纳米颗粒、二维材料在光催化、能源,环保技术等领域的设计和应用;高能量密度材料的设计、结构与性能的机器学习预估模型研究。

  目前主持自然科学基金面上项目1项,参与科技部重大专项1项。自然科学基金青年项目结题1项,全链条科技创新专项结题1项;目前在读4名硕士,3名博士。每年拟招收对科研有兴趣,性格乐观积极,具有良好物理、化学、软件背景和交际沟通能力的硕士、博士研究生1~2名。

学术成就

  截止目前,在Nature Chem.,Nature Commu.,Phys. Rev. Lett,ACS Catal.,Chem. Sci.,Nanoscale,J. Phys.Chem.C 等杂志上,共发表了50余篇文章, h-index 为18。在包括美国化学工程师协会年会、美国工业与应用数学学会、China Nano等国际重要学术会议上作报告5次。

发表论文详见谷歌学术:

https://scholar.google.com/citations?user=nNe4aLAAAAAJ&hl=en

http://www.researcherid.com/rid/N-7524-2015

  在表面界面的多尺度模拟方向,发展了结合密度泛函理论(DFT)物性计算和动力学蒙特卡洛(KMC)以及微观动力学模拟(MKM)来研究材料复杂动力学过程的方法,并运用这些方法研究了一些代表性材料的微观结构─宏观效果的关系,取得了一些具有国际影响力的原创性研究成果,受到了国内外同行和新闻媒体的关注与肯定。

代表性成果有:

(1)发展了一套第一性原理计算结合动力学蒙特卡洛的多尺度的方法,实现了复杂微结构表面上的多尺度反应动力学模拟方法,阐明了具有复杂微结构的合金表面在真实实验条件下的原位活性物理机理。利用DFT 结合KMC 的多尺度动力学模拟,预言了一种氨气分解催化活性提高2~3 个数量级的亚单层“缺陷”合金表面,定量解析了活性位之间的协同效应对实现多功能催化的作用。工作发表后(Nature Communications 2015, 6, 8619-8619),被能源环境领域著名期刊的一篇综述文章Energy & Environmental Science 9, 3314 (2016)引用,作为氨气分解代表性工作之一加以介绍。这一工作还受到了国外网络媒体的报道,比如ChemistryViews、Materialstoday 两个网站分别以“Bimetallic Catalysts with Important Defects”和“Scientists discover new structure for bimetallic catalysts”为标题进行了详细的报道。Phys.org 网站以“Patched atoms: Energy researchers discover new structure for bimetallic catalysts” 进行了报道,认为该发现打开了材料设计的新可能:“The finding opens new possibilities in materials design”。

(2)对催化材料设计中动力学模拟方法的改进。申报人通过第一性原理计算,考虑了10 多种目前DFT中主流的交换关联泛函,确定了乙醇和乙氧基生成焓的不确定性。与美国特拉华大学以及马萨诸塞大学数学与统计系合作,共同发展了一套通过考虑参数的关联效应来解决模型预测不确定性问题的方法。该结果发表在Nature Chemistry 2016, 8 (4), 331-337. 定量揭示了模型中参数的不确定性和参数之间的关联效应如何影响模型预测的准确度。著名的科技新闻媒体Phys.org 和Sciencedaily 相继以“Researchers document new approach to dealing with uncertainties in mathematical models”为标题报道了这一工作,认为这一方法在交通、天气、生物科技等多个领域都具有普遍的预测能力。

(3)新型催化剂设计机理研究:通过第一性原理分子动力学模拟和约束极小化技术过渡态搜索,阐明了低温−60 °C 下乙醇中合成高质量分散Pt 原子的物理化学机理,并解释了这类单原子催化剂转移到掺氮多孔石墨烯上之后,在产氢反应中高活性的原因,结果发表在Chemical Science 2019, 10 (9), 2830-2836 和 Journal of Materials Chemistry A 2019, 7 (45), 25779-25784 上。此外,我们提出了基于过渡金属酞菁(TMPc)系列分子与金属单晶表面之间范德华异质节的“量子胡桃夹”催化模型,可实现室温下的氢气分解,结果发表在Science Bulletin 2019, 64, 4-7 上。我们通过分子动力学模拟和电子结构计算发现,这种“量子胡桃夹”中TMPc 分子中心的过渡金属单原子和基底起到了协同催化分解氢气的作用。其中,范德华异质节催化剂本身的动力学是关键因素。

(4)高能量密度材料的构效关系研究:采用第一性原理计算系统地研究了一系列过渡金属高氯酸碳酰肼配合物MCP(M=Mi, Fe, Co, Ni, Zn, Cd)的微观性质,建立了这些含能配合物的微观原子、电子性质与宏观感度之间的联系,为未来新型含能材料的合成和预估提供了理论参考。该理论分析是对最小键级和最易跃迁理论的有益补充,强调了磁性态对这类材料感度的重要影响。结果发表在Physical Chemistry Chemical Physics 2019, 21, 24034-24041

代表性论文如下:

1. Guo, W.; Vlachos, D. G., “Patched bimetallic surfaces are active catalysts for ammonia decomposition”, Nature Communications 6, 8619 (2015).

2. Sutton, J. E.; Guo, W.; Katsoulakis, M. A.; Vlachos, D. G., “Effect of Correlations and Uncertainty of Electronic Structure Calculations in Model Predictions of Chemical Kinetics”, Nature Chemistry 8 (4), 331-337 (2016).

3. Wei, H.; Wu, H.; Huang, K.; Ge, B.(*).; Ma, J.; Lang, J.; Zu, D.; Lei, M.; Yao, Y.; Guo, W.(*); Wu, H.(*), “Ultralow-temperature photochemical synthesis of atomically dispersed Pt catalysts for the hydrogen evolution reaction”, Chemical Science 10 (9), 2830-2836 (2019).

4. Huang, K.; Wang, R.; Wu, H.; Wang, H.; He, X.; Wei, H.; Wang, S.; Zhang, R.; Lei, M.(*); Guo, W.(*); Ge, B.(*); Wu, H.(*), “Direct immobilization of an atomically dispersed Pt catalyst by suppressing heterogeneous nucleation at −40 °C”, Journal of Materials Chemistry A, 7 (45), 25779-25784 (2019).

5. Huang, K.; Zhao, Z.; Du, H.; Du, P.; Wang, H.; Wang, R.; Lin, S.; Wei, H.; Long, Y.; Lei, M.(*); Guo, W.(*); Wu, H.(*), “Rapid Thermal Annealing toward High-Quality 2D Cobalt Fluoride Oxide as an Advanced Oxygen Evolution Electrocatalyst”, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 8 (18), 6905-6913 (2020).

6. Chen, Z.; Wu, H.; Li, J.; Wang, Y.; Guo, W.(*); Cao, C.; Chen, Z.(*), “Defect enhanced CoP/Reduced graphene oxide electrocatalytic hydrogen production with pt-like activity”, Applied Catalysis B-Environmental 265, 118576 (2020).

7. Wu, H.; Sutton, J. E.; Guo, W.(*); Vlachos, D. G.(*), “Volcano Curves for In-Silico Prediction of Mono- and Bi-Functional Catalysts: Application to Ammonia Decomposition”, The Journal of Physical Chemistry C 123 (44), 27097-27104 (2019).

8. Sun, C.; Zhang, W.; Lu, Y.; Wang, F.; Guo, W.(*); Zhang, T.; Yao, Y., “Trends of the Macroscopic Behaviors of Energetic Compounds: Insights from First-Principles Calculations”, Physical Chemistry Chemical Physics 21, 24034-24041 (2019).

9. Tao, L.(#); Guo, W.(#); Zhang, Y.-Y.; Zhang, Y.-F.; Sun, J.; Du, S.; Pantelides, S. T., “Quantum nutcracker for near-room-temperature H2 dissociation”, Science Bulletin 64, 4-7 (2019).

10. Guo, W.; Stamatakis, M.; Vlachos, D. G., “Design principles of heteroepitaxial bimetallic catalysts”, ACS Catalysis 134 (24), 244509 (2013).

11. Ji, Y.; Guo, W.; Chen, H.; Zhang, L.; Chen, S.; Hua, M.; Long, Y.; Chen, Z., “Surface Ti3+ / Ti4+ Redox Shuttle Enhancing Photocatalytic H2 Production in Ultrathin TiO2 Nanosheets/CdSe Quantum Dots”, The Journal of Physical Chemistry C 119 (48), 27053-27059 (2015).

12. Guo, W.; Vlachos, D. G., “On Factors Controlling Activity of Submonolayer Bimetallic Catalysts: Nitrogen Desorption”, The Journal of Chemical Physics 140 (1), 014703. (2014).

13. Falsig, H.; Shen, J.; Khan, T. S.; Guo, W. Jones, G.; Dahl, S.; Bligaard, T., “On the structure sensitivity of direct NO decomposition over low-index transition metal facets”, Topics in Catalysis 57 (1-4), 80-88.(2014).

14.  Guo, W. Vlachos, D. G, “Effect of local metal microstructure on adsorption on bimetallic surfaces: Atomic nitrogen on Ni/Pt (111)”, The Journal of Chemical Physics 138 (17), 174702 (2013).

15. Vojvodic, A.; Calle-Vallejo, F.; Guo, W.; Wang, S.; Toftelund, A.; Studt, F.; Martinez, J. I.; Shen, J.; Man, I. C.; Rossmeisl, J. ; Bligaard, T.; Norskov, J. K.; Abild-Pedersen, F., “On the behavior of Brønsted-Evans-Polanyi relations for transition metal oxides”, The Journal of Chemical Physics 134 (24), 244509 (2011).

16. Guo, W.; Hu, Y.; Zhang, Y.; Du, S.; Gao, H.-J., “Transport properties of boron nanotubes investigated by ab initio calculation”, Chinese Physics B. 18 (6), 2502 (2009).

17. Guo, W.; Du, S.; Zhang, Y.; Hofer, W.; Seidel, C.; Chi, L.; Fuchs, H. .; Gao, H.-J., “Electrostatic field effect on molecular structures at metal surfaces”, Surface Science 603 (17), 2815-2819 (2009).

18. Gao, L.; Ji, W.; Hu, Y.; Cheng, Z.; Deng, Z.; Liu, Q.; Jiang, N.; Lin, X.; Guo, W.; Du, S. X.; Hofer, W. A.; Xie, X. C.; Gao, H.-J., “Site-specific Kondo effect at ambient temperatures in iron-based molecules”, Physical Review Letters.  99 (10), 106402 (2007).

19. Lin, X.; He, X.; Yang, T.; Guo, W.; Shi, D.; Gao, H.-J.; Ma, D.; Lee, S.; Liu, F.; Xie, X., “Intrinsic current-voltage properties of nanowires with four-probe scanning tunneling microscopy: A conductance transition of ZnO nanowire”, Applied Physics Letters.  89 (4), 043103 (2006).