北京师范大学化学学院理论和物理化学崔刚龙

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崔刚龙，北京师范大学博士、教授、博士生导师。多年来一直致力于分子、生物、和材料体系中光物理过程和光化学反应的理论及计算研究。截至2016年以第一作者或通讯作者在Angewandte Chemie、 Journal of American Chemical Society、Journal of Physical Chemistry Letters、Journal of Chemical Theory Computation、Physical Chemistry Chemical Physics、ChemPhysChem、Journal of Computational Chemistry、Journal of Chemical Physics、Journal of Physical Chemistry系列等杂志发表近60篇SCI论文，并多次在国际和国内会议上作邀请报告。目前主持中央组织部青年##计划、国家自然科学基金委优秀青年基金、科技部重点研发专项、中央高校基本科研基金；参加国家自然科学基金委重点国际合作项目；参与国家自然科学基金委创新研究群体。曾获荣誉：德国洪堡学者(2012)、中组部青年##计划(2013)、国家自然科学基金委优秀青年基金(2015)。



崔刚龙  
教授、博士生导师、理学博士(2009)；通信地址：北京市新街口外大街19号 北京师范大学化学学院
邮编：100875
电子邮箱：ganglong.cui@bnu.edu.cn

教育和工作经历
1994年－1997年：云南省昭通市实验中学
1997年－2000年：云南省昭通市第一中学
2000年－2004年：北京师范大学化学系，获理学学士学位(导师:方维海院士)
2004年－2007年：北京师范大学化学学院，获理学博士学位(导师:方维海院士)
2007年－2009年：美国杜克大学化学系, 联合培养博士(导师:杨伟涛教授)
2010年－2011年：美国杜克大学化学系, 博士后(导师:杨伟涛教授)
2011年－2014年：德国马克思普朗克煤炭研究所, 马普学者、洪堡学者 (导师: Walter Thiel院士)
2014年－至今  ：北京师范大学化学学院、教授、博士生导师
研究领域
理论及计算光化学
近期研究兴趣
1、激发态电子结构计算和非绝热动力学模拟的数值方法、算法和程序包的发展
2、光化学、光生物、光功能材料的光物理和光化学机理的电子结构计算研究
3、光化学、光生物、光功能材料中的激发态动力学过程的非绝热动力学模拟研究

近期代表作
1.        Ya-Ting Wang, Xiang-Yang Liu, Ganglong Cui*, Wei-Hai Fang, and Walter Thiel*, Photoisomerization of Arylazopyrazole Photoswitches: Stereospecific Excited-State Relaxation, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14009
2.        Shu-Hua Xia, Ganglong Cui*, Wei-Hai Fang, and Walter Thiel*, How Photoisomerization Drives Peptide Folding and Unfolding: Insights from QM/MM and MM Dynamics Simulations, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2067
3.        He-Yang Lin, Xue-Ping Chang, Dong-Peng Yan*, Wei-Hai, Fang and Ganglong Cui*, Tuning Excited-State-Intramolecular-Proton-Transfer (ESIPT) Process and Emission by Cocrystal Formation: a Combined Experimental and Theoretical Study, Chem. Sci. 2017, DOI: 10.1039/c6sc04354b
4.        Ganglong Cui, Zhenggang Lan, and Walter Thiel*, Intramolecular Hydrogen Bonding Plays a Crucial Role in the Photophysics and Photochemistry of the GFP Chromophore, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1662
5.        Ganglong Cui, Xiao-Yan Cao, Wei-Hai Fang*, Michael Dolg*, and Walter Thiel*, Photoinduced Gold(I)-Gold(I) Chemical Bonding in Dicyanoaurate Oligomers, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 10281
6.        Ganglong Cui and Walter Thiel*, Photoinduced Ultrafast Wolff Rearrangement: A Non-Adiabatic Dynamics Perspective, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 433
7.        Xiang-Yang Liu, Xue-Ping Chang, Shu-Hua Xia, Ganglong Cui*, and Walter Thiel*, Excited-State Proton-Transfer-Induced Trapping Enhances the Fluorescence Emission of a Locked GFP Chromophore, J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 753
8.        Ganglong Cui* and Walter Thiel*, Intersystem Crossing Enables 4-Thiothymidine to Act as a Photosensitizer in Photodynamic Therapy: An Ab Initio QM/MM Study, J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2682
9.        Ganglong Cui* and Walter Thiel*, Generalized trajectory surface-hopping method for internal conversion and intersystem crossing, J. Chem. Phys. 2014, 141, 124101
10.        Ganglong Cui, Wei-Hai Fang, and Weitao Yang*, Reformulating time-dependent density functional theory with non-orthogonal localized molecular orbitals, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 12, 416
11.        Ganglong Cui and Weitao Yang*, Conical intersections in solution: Formulation, algorithm, and implementation with combined quantum mechanics/molecular mechanics method, J. Chem. Phys. 2011, 134, 204115
12.        Xiang-Yang Liu, Ganglong Cui*, and Wei-Hai Fang*, Three-State Conical Intersection Optimization Methods: Development and Implementation at QM/MM level, Theor. Chem. Acc. 2017, 136:8

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基于机器学习的非绝热动力学研究

机器学习由于其巨大的应用前景已经得到各个行业的高度关注, 已经渗透到了人们生活的方方面面。该方法在化学领域也取得了重要的发展，被用于指导有机合成、搜寻功能材料、发展理论方法等，其中利用大数据“学习”化学、生物和材料体系的势能面信息来进行多尺度的分子动力学模拟是目前的研究热点之一。前期的理论工作主要集中于“训练”单一势能面并用于绝热动力学模拟，而对多态耦合的势能面及其在非绝热动力学中的研究则少有报道，特别是针对势能面交叉区域的复杂势能面的机器学习未见报道。

最近，化学学院崔刚龙老师利用基于神经网络的深度学习方法首次精确重现了多原子分子体系基态和激发态的势能面及其交叉区域的拓扑结构，并利用所得到的多态势能面进行了非绝热动力学模拟。基于深度学习的非绝热动力学模拟在降低计算量的同时，给出了和从头算级别非绝热动力学模拟近乎一样的动力学结果。结果表明深度学习方法可以足够准确地重复复杂的多态势能面的拓扑结构，可用于研究复杂的光物理和光化学反应动力学的研究。

相关成果近期发表于《The Journal of Physical Chemistry Letters》：Deep Learning for  Nonadiabatic Excited-State Dynamics（DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b03026）。北京师范大学化学学院为第一单位、陈文恺博士研究生为该工作的第一作者。该工作得到国家自然科学优秀青年基金资助和中央高校基本科研基金资助。

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半导体材料的光催化固氮是最前沿的研究热点之一。氨气是地球氮循环过程中氮气向蛋白质和肥料转变的重要中间体。哈伯-博施固氮方法的反应条件严苛，需高温高压，能源消耗巨大，且污染环境。因此利用太阳能光催化技术来固氮生成氨气被国内外一些科学家认为是化学界的“圣杯”反应之一。光催化过程能在温和条件下将N2还原为NH3，为更安全、清洁、可持续的NH3生产提供了一条无碳化道路。早在1977年Schrauzer和Guth已证实在TiO2上N2可以发生光还原。随后也有科学家进行了一系列相关的研究，但对TiO2表面光固氮现象的认识一直得不到统一。2017年日本研究小组报道了富含氧空位的二氧化钛在紫外光照射下可以在温和条件下光催化N2还原生成氨，为TiO2光催化固氮提供了实验证据，但具体的微观机理尚不清楚。

       近期，化学学院崔刚龙和方维海教授课题组采用密度泛函理论的方法结合周期性模型，探究了氮气在二氧化钛表面光催化还原的微观机理，计算结果发现光解水之后产生的羟基化二氧化钛表面以及光生电子有利于氮气在氧空穴处的化学吸附，从而活化惰性的N≡N三键。此外，质子耦合的电子转移过程大大降低了反应的能垒，有利于反应在温和条件下发生。最后，我们提出了完整的氮气光催化还原为氨的可行反应路径。相关成果以Probing Photocatalytic Nitrogen Reduction to Ammonia with Water on the Rutile TiO2 (110) Surface by First-Principles Calculations”为题发表于ACS Catalysis, 2019, DOI: 10.1021/acscatal.9b01551. 北京师范大学博士生解晓英为第一作者。
       此外, 课题组和四川电子科技大学孙旭平教授在电催化固氮领域开展了广泛的合作, 研究了氮气在非金属电催化剂B4C (Nat. Commun. 2018, 9, 3485)、二维材料MXene纳米片 (J. Mater. Chem. A 2018, 6, 24031)、含氧空穴的MnO2 (Chem. Commun. 2019, 55, 4627)、掺杂的石墨烯上的电催化固氮反应的研究(Chem. Commun., 2019, 55, 3371; 2019, 55, 4266; 2019, 55, 7502)。