中南大學雷永鵬等金屬電催化材料研究取得系列成果

2020-11-23 騰訊網

近日，中南大學粉末冶金國家重點實驗室雷永鵬教授等在金屬電催化材料領域取得重要研究進展，相關成果接連發表在《Energy & Environmental Science》《Advanced Functional Materials》《Journal of Materials Chemistry A》《Chemical Communications》等國際權威期刊。

電催化CO2還原反應（CO2RR）能夠在溫和條件下生成燃料和化學品等，為維持全球碳平衡和緩解能源短缺提供了一條可持續的途徑。單原子催化劑（SACs）包括彼此分隔開的活性金屬中心和載體，最大化的原子利用效率和高的本徵活性使其備受關注。調節SACs中活性位點的配位結構（配位鍵、配位數、鍵長、鍵角等）可以影響電子轉移和反應中間體的吸附態，進而調控CO2RR的活性和選擇性。文章總結了典型的配位構型和常見的表徵工具；以碳基單分散過渡金屬原子為例，揭示了配位結構與同步輻射光譜之間的關聯；討論了基於碳載體和非碳載體中心/配位原子的設計、調控策略，尤其是配位結構對電流密度、還原產物、反應路徑等的影響及反應過程中催化劑的重構。該成果發表在《Energy & Environmental Science》，聯合培養碩士生王裕超為第一作者，雷永鵬為通訊作者。

單原子催化劑用於火星CO2RR示意圖

氫氣是化石能源的理想替代品，利用可再生電能電解水是非常重要的制氫方法。然而，鹼性條件下的氫析出反應（HER）面臨動力學緩慢、過電勢高等問題，亟需高效的電催化劑驅動水分解和質子還原。尖晶石型過渡金屬氧化物具有廉價、無毒、穩定等優點，通過促進電子轉移來提高其鹼性HER性能具有重要意義。作者在富缺陷氧族化合物表面引入碳層，構建了一種典型的肖特基結。實驗和計算結果表明，富缺陷的CoFe2O4呈現金屬性，氮摻雜碳呈半導體特性，電子從內部的氧化物和合金流向外部的氮摻雜碳，有效促進了催化劑表面發生的HER反應，並為氧化物用於鹼性HER提供了借鑑。該成果發表在自然指數期刊《Chemical Communications》，聯合培養碩士生王裕超、劉標副教授、20屆碩士生劉毅為共同第一作者，雷永鵬為通訊作者。

構建的肖特基結促進了電子轉移，提高了HER電流密度

此外，雷永鵬還和戴黎明教授、王平山教授合作，製備了Tpy-Co基聚合物金屬水凝膠用於水分解氧析出反應，成果發表在國際權威期刊《Advanced Functional Materials》。與四川輕化工大學的雷英老師合作，以生物質轉化法製備了多孔碳負載的Fe單原子/Fe2O3團簇，並用作鋅-空氣電池正極材料，成果發表在國際權威期刊《Journal of Materials Chemistry A》。

來源：中南大學

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