必威Betway中文楊濤課題組，在氫氣能源制取和利用方面取得新進(jìn)展，設(shè)計(jì)合成過(guò)渡金屬基和貴金屬基高性能催化材料。研究成果陸續(xù)發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental (IF=19.503)和Chemical Engineering Journal (IF=13.273)。公司2019級(jí)碩士研究生朱自政和2018級(jí)碩士研究生王藝慧是實(shí)驗(yàn)的主要完成人，對(duì)課題研究做出重要貢獻(xiàn)，分別為論文的第一作者，楊濤教授為論文的通訊作者。
1. 過(guò)渡金屬基催化材料
很多過(guò)渡金屬（除貴金屬以外）材料在堿性條件下顯現(xiàn)出優(yōu)秀的電解水催化活性，這使開(kāi)發(fā)更為豐富的低成本電解水催化材料成為可能。如何提高過(guò)渡金屬基催化材料的性能，降低電能消耗一直是科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題。當(dāng)兩種過(guò)渡金屬原子形成合金時(shí)，一方面在電負(fù)性差異的作用下，左側(cè)元素的價(jià)層電子會(huì)進(jìn)入到右側(cè)元素的原子軌道，另一方面在廣義Lewis acid-base作用下，左側(cè)元素原子的空軌道會(huì)吸納右側(cè)元素的價(jià)層電子。即元素周期表上不同位置的元素之間的外層電子會(huì)發(fā)生流動(dòng)，并且這種流動(dòng)會(huì)受到非金屬元素的調(diào)控。課題組2019級(jí)研究生朱自政同學(xué)通過(guò)大量的試驗(yàn)論證，耗時(shí)18個(gè)月，在鈷-釩體系中引入磷，實(shí)現(xiàn)d電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的最優(yōu)化。僅需要98 mV的超小過(guò)電勢(shì)就達(dá)到10 mA/cm2的析氫電流，僅需要230 mV的超小電勢(shì)就獲得100 mA/cm2的析氧電流，性能優(yōu)于目前報(bào)道的大部分過(guò)渡金屬基催化劑。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DFT的模擬計(jì)算結(jié)果高度吻合。該研究所提出的非金屬參與調(diào)控d電子雙向流動(dòng)策略有望用于其他過(guò)渡金屬催化體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Applied Catalysis B: Environmental, 304 (2022) 120985 (IF=19.503)。
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120985
2. 貴金屬基催化材料
酸性電解質(zhì)具有快速的質(zhì)子耦合速率和低的水分解過(guò)電位，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合仍不可替代。但由于高電位下的強(qiáng)腐蝕性，酸性電解質(zhì)環(huán)境一直是貴金屬催化劑的主戰(zhàn)場(chǎng)。如何提高貴金屬的利用率和活性，直接關(guān)系到電解水的成本和貴金屬的可持續(xù)性利用。貴金屬銠本身對(duì)氧還原，氫析出和氧析出反應(yīng)具有優(yōu)秀的電催化性能。當(dāng)缺電子且半徑較小的硼原子進(jìn)入到銠的晶格后，會(huì)打破還來(lái)的有序性，形成新的晶體結(jié)構(gòu)。更為重要的是硼原子的p軌道會(huì)和銠的d軌道形成強(qiáng)烈的雜化作用，導(dǎo)致電子離域和表面吸附強(qiáng)度的變化。本課題組2018級(jí)研究生王藝慧同學(xué)歷時(shí)16個(gè)月，對(duì)此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，同時(shí)該同學(xué)將其之前的研究成果-限域生長(zhǎng)機(jī)理(Nanoscale, 2019, 11, 23206–23216)融入其中。合成了多孔銠八面體納米顆粒，然后通過(guò)硼的引入改變晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化催化性能。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DFT的模擬計(jì)算結(jié)果高度吻合。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134982 (IF=12.273)。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134982
