深圳理工大学兰晶岗教授团队在计算电化学恒电势模拟方法研究中取得新进展

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电化学反应广泛存在于电池、燃料电池、绿色制氢、二氧化碳资源化利用和生物质转化等能源与化工过程中。这类反应通常发生在电极与溶液接触的界面上，而电极电势就像调节反应的“旋钮”，直接影响反应能否发生、反应快慢以及反应路径。

在真实实验中，研究人员可以通过电化学工作站稳定控制电极电势；但在计算机模拟中，实现这一点并不容易。传统模拟大多在固定电荷条件下进行，电势会随着反应过程变化，这与真实实验条件之间存在一定差距。

这项工作为计算电化学提供了一个更开放、易迁移的方法平台，有助于研究人员在原子尺度上理解不同电极、不同溶液环境和不同电化学反应中的微观过程。

研究团队将该方法应用于二氧化碳还原反应模拟。借助恒电势模拟，研究人员能够在原子尺度上观察反应中间体如何变化，以及电势如何影响反应路径，从而为理解复杂电化学过程和设计高效催化材料提供新的计算手段。

更进一步，恒电势模拟不仅适用于传统电化学体系，还有望拓展到生物氧化还原过程研究中，例如酶催化中的质子-电子耦合转移、膜蛋白电子传递链以及生物电极界面反应等。面向合成生物学，该方法未来可与机器学习势函数、蛋白质/酶设计模型相结合，用于理解外加电势或局部电场如何调控人工酶、氧化还原蛋白和细胞工厂中的反应路径，为电驱动生物制造、CO₂生物转化和生物电催化体系设计提供新的理论工具。

随着人工智能方法进入材料模拟领域，该框架也为发展恒电势机器学习势函数提供了新思路。从长远来看，本研究有望推动电化学模拟从“看见原子”进一步走向“接近真实反应条件”，为能源转化、催化材料设计、绿色低碳技术和合成生物学交叉研究提供更可靠的理论支撑。

兰晶岗（深圳理工大学合成生物学院教授）、陈艳霞（中国科学技术大学化学与材料科学学院、微尺度物质科学国家研究中心教授）为本文的共同通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金、瑞士国家科学基金以及深圳理工大学超算资源的支持。