От электронной структуры к материалу, который решает задачу

Это направление начинается с практического вопроса: что делает электрод эффективным и почему. Ответ редко кроется в общем составе материала. Он скрыт в электронной структуре его поверхности, в положении краёв зон и в том, что происходит с этой структурой при введении примеси или осаждении металлического кластера на поверхность.

Группа исследует этот вопрос с помощью расчётов из первых принципов. Такие системы, как TiO₂, солегированный Pt и C или Pt и N, демонстрируют синергетические эффекты, которых не даёт ни одна из примесей по отдельности. В других случаях в центре внимания получение водорода и кислорода расщеплением воды: мы оцениваем, какие сочетания примесей увеличивают удельную площадь поверхности, не ухудшая окислительно-восстановительную способность оксида.

Преимущество вычислительного подхода в том, что он позволяет исследовать гораздо более широкий набор составов, чем эксперимент, и приходить в лабораторию с уже отобранными гипотезами. Обратная сторона в том, что модель должна быть надёжной, и значительная часть методических усилий группы направлена именно на это: понять, насколько результаты чувствительны к выбору функционала, параметра Хаббарда U или метода определения оптической ширины запрещённой зоны по спектру поглощения.

На наномасштабе материал перестаёт вести себя как его объёмный аналог. Кластер из тринадцати атомов платины на поверхности диоксида титана уже не платина: его активность зависит от формы, которую он принимает, от того, стехиометрична поверхность или восстановлена, и от типа вакансии, которая его закрепляет. Это направление изучает именно такие зависимости.

Работа охватывает несколько семейств систем. Нанокластеры серебра на диоксиде титана, которые изучаются как возможные средства очистки от оксидов азота: здесь важно предсказать положение краёв зон и их связь с взаимодействием NO и NO₂. Нанесённые кластеры платины, для которых анализируются динамическая устойчивость, колебательные свойства и хемосорбция CO. Оксигалогениды висмута, такие как BiOBr, в которых вакансии кислорода и галогена определяют оптоэлектронные свойства, а вместе с ними и фотокаталитическую эффективность.

Отличительная черта направления в том, что оно не ограничивается расчётами. Теоретические результаты сопоставляются с экспериментальным исследованием поверхности, и ряд работ прямо сочетает теорию и эксперимент: синтез, рентгеновская дифракция, рамановская спектроскопия и измерения проводимости ведут диалог с моделированием. Именно это сочетание позволяет перейти от описания системы к объяснению того, почему она ведёт себя именно так.