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杨涛课题组在电解水制氢研究方面取得新进展
2022-05-23 08:58  

威尼斯welcome登录入口杨涛课题组,在氢气能源制取和利用方面取得新进展,设计合成过渡金属基和贵金属基高性能催化材料。研究成果陆续发表在Applied Catalysis B: Environmental (IF=19.503)和Chemical Engineering Journal (IF=13.273)。我院2019级硕士研究生朱自政和2018级硕士研究生王艺慧是实验的主要完成人,对课题研究做出重要贡献,分别为论文的第一作者,杨涛教授为论文的通讯作者。

1. 过渡金属基催化材料

很多过渡金属(除贵金属以外)材料在碱性条件下显现出优秀的电解水催化活性,这使开发更为丰富的低成本电解水催化材料成为可能。如何提高过渡金属基催化材料的性能,降低电能消耗一直是科学界和产业界关注的重大科学问题。当两种过渡金属原子形成合金时,一方面在电负性差异的作用下,左侧元素的价层电子会进入到右侧元素的原子轨道,另一方面在广义Lewis acid-base作用下,左侧元素原子的空轨道会吸纳右侧元素的价层电子。即元素周期表上不同位置的元素之间的外层电子会发生流动,并且这种流动会受到非金属元素的调控。课题组2019级研究生朱自政同学通过大量的试验论证,耗时18个月,在钴-钒体系中引入磷,实现d电子结构和能量状态的最优化。仅需要98 mV的超小过电势就达到10 mA/cm2的析氢电流,仅需要230 mV的超小电势就获得100 mA/cm2的析氧电流,性能优于目前报道的大部分过渡金属基催化剂。该实验结果与DFT的模拟计算结果高度吻合。该研究所提出的非金属参与调控d电子双向流动策略有望用于其他过渡金属催化体系的优化设计。相关成果发表在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environmental, 304 (2022) 120985 (IF=19.503)。

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120985

      2. 贵金属基催化材料

酸性电解质具有快速的质子耦合速率和低的水分解过电位,在一些特殊应用场合仍不可替代。但由于高电位下的强腐蚀性,酸性电解质环境一直是贵金属催化剂的主战场。如何提高贵金属的利用率和活性,直接关系到电解水的成本和贵金属的可持续性利用。贵金属铑本身对氧还原,氢析出和氧析出反应具有优秀的电催化性能。当缺电子且半径较小的硼原子进入到铑的晶格后,会打破还来的有序性,形成新的晶体结构。更为重要的是硼原子的p轨道会和铑的d轨道形成强烈的杂化作用,导致电子离域和表面吸附强度的变化。本课题组2018级研究生王艺慧同学历时16个月,对此进行了大量的试验研究,同时该同学将其之前的研究成果-限域生长机理(Nanoscale, 2019, 11, 23206–23216)融入其中。合成了多孔铑八面体纳米颗粒,然后通过硼的引入改变晶体结构,优化催化性能。该实验结果与DFT的模拟计算结果高度吻合。相关成果发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134982 (IF=12.273)。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134982

                                               


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