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2020年度二维材料在催化析氢中的应用研究进展
2020-11-13 18:16   审核人:

       可持续、清洁能源的发展受到全球广泛关注氢气作为一种清洁无污染的能量载体具有极高的能量密度,是下一代主力能源的有力竞争者。电解水可利用由其它不易储存的清洁能源(太阳能、风能、核能等)所产生的电力实现整个产氢过程的环境友好化。类石墨烯二维材料的独特电子性能使其在催化析氢方面展现出巨大的应用潜力。重点实验室夏晓红小组近年来致力于过渡金属硫化物黑磷等二维材料用于电催化制氢研究,在原子/纳米尺度对于催化剂的调控以及更大尺度的微米层面催化剂进行优化一方面通过掺杂、缺陷工程等方式增加催化活性位点数目和增强催化活性另一方面,利用材料复合工程优化催化剂的导电性。近期采用超声辅助液相剥离法成功制备出黑磷(BP)纳米片量子点,利用电负性较大的-CN钝化BP量子点的活性边缘以提升其环境稳定性。同时,引入-CN可进一步调控黑磷带隙,使其与析氢所需能带更加匹配。制备所得-CN功能化的黑磷量子点/普鲁士蓝结(BP/PB PN)在催化析氢过程中展现出了较高的催化活性,析氢电流密度为10 mA cm−2时所需过电势仅为潜在的148 mV,相应的塔菲尔斜率为79 mV dec−1。此外,连续循环伏安法和恒电位测试结果表明该复合材料具有优异的电催化稳定性。该方法不仅克服了黑磷环境稳定性差的缺点,还充分保留了黑磷卓越的电化学性能,该工作从试验及理论计算方面证实了吸电子基团氰基与黑磷间的有效作用,提供了同时提升黑磷的稳定性和催化活性的新策略,拓宽了黑磷基二维材料在催化析氢中的应用以及为高效、高稳定性的制氢催化剂的开发提供了基础数据。研究工作得到了国家自然科学基金No.21804115; No.51672235以及自治区自然科学基金2019D01c050的资助。相关成果已发表在Journal of CatalysisSustainable Energy & FuelsJournal of The Electrochemical Society等催化能源转化刊物上。

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1BP/PB催化理论计算示意图以及材料微观结构表征结果

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