[01509054]新型高效低成本纳米复合电极材料结构设计及其催化活性改善机制

1、课题来源与背景 太阳能、氢能等清洁能源在大规模使用中面临的主要问题是能量的高效转换和存储,而电极材料的性能和成本是关键。最近发展的纳米复合电极材料在替代典型贵金属Pt电极,以及能量存储和转换方面展示出巨大潜力,但其电化学活性仍需提升。因此,开展新型低成本高效电极材料的结构设计和合成,研究提升电极材料催化活性的有效策略和相关机理,是面向未来能源需求的重要研究方向。 研究工作得到国家自然科学基金（51162025、51263021）、教育部新世纪优秀人才项目（NCET-11-0425、NCET-12-0454）、江西省青年科学家培养对象计划等8项科研项目的资助。 2、研究目的与意义 本研究的目的是通过对多孔碳、吡啶基类配合物和氧族化合物等纳米材料的微纳结构设计和微观成分调控,研制高性能电极材料,探讨电化学性能的提升策略和机理,形成一套制备高效纳米复合电极的新方法,以推动清洁能源的大规模应用。通过研究,培养了江西省新能源技术创新团队,加强了新能源产业自主知识产权的技术贮备。因此,本成果在科学层面、技术层面和产业层面上都具有重要意义。 3、主要论点与论据 （1）分别以多孔碳和原位生成ZnO为主次相制得复合对电极,揭示了弥散分布的高电子迁移率的ZnO网络能使电子更快速地传输到多孔碳表面参与还原,进而改善催化活性。 （2）以聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）为催化材料,通过引入导电多孔支撑骨架形成了多孔结构,增加了催化活性点,提升了催化活性。同时通过掺杂,增加了催化膜的表面粗糙度,减低了串阻,实现了透明对电极的催化活性改善。 （3）在聚合诱导相分离过程中施加温度场,经配料、定向固化、深固化和热解等四大工序合成梯度孔隙结构碳材料,并实现了孔隙结构的调控。 （4）对MnO2电极材料通过掺杂、复合等进行纳米结构设计,可减少电解质在其中的扩散距离,增大比表面积提高其利用率,并缩短电荷在其中的传输距离,是提高催化性能有效方法。 （5）采用阴离子S掺杂调整CoSe2电催化剂对氢原子的吸附自由能,并为晶体提供能更多缺陷和畸变,在保持能带结构的同时增大活性面积,从而提升催化活性。 （6）采用三维异质复合结构电催化剂的设计策略实现高比表面积、高电导性和高传质效率的协同,以显著提升电催化剂的催化活性。 （7）基于N,N-二（2-吡啶）亚乙基二胺（DPEA）构建一种具备有效催化氧化甲醇的复合电极。 4、创见与创新 是国内最早开展纳米复合电极材料结构设计和成分调控研究的几个小组之一,是省内该领域研究的主要开拓者,在理论基础、新结构与技术两个方面具有一定的创新,具体如下： 理论基础。对纳米复合电极材料结构和成分与催化活性提升涉及的相关理论进行了系统的研究和清晰的阐述,特别是：（1）研究了ZnO在碳催化层中的作用机制,发现高电子迁移率的ZnO网格在碳催化层中的“桥接效应”,对DSC用对电极的改进提供了思路。（2）研究了高分散MnO2材料形貌与倍率性能的关系,发现比表面积与倍率性能在高分散条件下呈负相关。该结果是活性材料比表面积与储能性能关系曲线的重要补充。 新结构与新技术。（1）构建了多孔结构PEDOT:PSS复合对电极。（2）建立了温度场辅助聚合诱导相分离制备梯度孔隙结构碳的技术。（3）发展了一维纳米过渡金属硫属化合物的可控多组分气相反应合成方法,提出了可控阴离子掺杂是提高电催化性能的重要策略,扩展了当时主流的金属阳离子掺杂策略,阐释了阴离子掺杂提高催化活性的机理。（4）首次设计制备出由一维CoTe2纳米管阵列/二维CoTe纳米片组成的三维异质复合结构电催化剂,实现了高比表面积、高电导性和高传质效率的协同。（5）基于吡啶基类配合物构建有机/无机复合电极,能有效电催化氧化甲醇。 5、社会经济效益 相关研究成果已以论文和专利的形式公开,发表相关论文47篇,其中SCI收录18篇, SCI他引357次,授权发明专利7项,受到国内外同行的关注和认可。 上述工作得到了国内外同行的积极评价。例如加拿大皇家科学院院士Zhang Jiujun教授（Electrochem. Energ. Rev. 2018, 1, 483）;开姆尼茨工业大学Marc Armbrüster教授（ACS Catal.2019, 93, 2018）;新加坡南洋理工大学张华教授（Chem. Rev. 2017,117：6225）;美国休斯顿大学任志锋教授（Nano Lett. 2016, 16: 7604）;美国 加州大学洛杉矶分校Richard B.Kaner教授（Chem. Soc.Rev.2019, 48: 1272）;西班牙阿利坎特大学Javier García-Martínez教授 （Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7681）;印度科学和创新研究学院SubrataKundu教授（Energy Envir. Sci. 2018, 11: 744）;香港城市大学张文军教授（Adv. Mater. 2017, 29: 1606521）;国立台湾大学何国川教授（J. Mater. Chem. A 2014, 2, 5816; ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 28254）;华侨大学吴季怀教授（Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5975）;浙江大学化学系王勇教授（Adv. Mater.2017, 29,1605838）等。