【人物与科研】华南师范大学高进伟教授课题组:具有三维仿生分形结构的电解水催化剂
导语
电解水作为一种环境友好型技术,一直被视为解决人类对化石能源过度依赖的“良药”。其中,低成本、高性能电解水催化剂的研发十分关键。通常,研发有两种思路:一为以“量”取胜,通过结构设计增加给定电极上活性位点的暴露数量;二为以“质”取胜,增加每个活性位点的本征活性。近日,华南师范大学高进伟教授课题组在前期根据仿生学设计分形结构、提升光电器件载流子传输能力的基础上,进一步设计了三维分形结构,并将其应用在电解水催化剂的结构设计中,这种具有三维分形结构的电解水催化剂具有优异的性能。相关研究成果发表在Chem. Commun.上(DOI: 10.1039/C8CC08221A)。
高进伟教授简介
高进伟,教授。2007-2010年,在美国麻省理工学院机械系陈刚院士课题组开展研究工作。2010年至今,在华南师范大学华南先进光电子研究院工作。近年来围绕能源和显示相关的光电材料的设计、制备及其理论模拟开展了系列研究工作。善于从自然界中获取灵感,依据自然龟裂结构设计龟裂模板,依据蜘蛛网结构设计网络模板,依据树叶结构设计分形模板,并将其广泛应用在多种能源、显示光电器件中。在Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., Small等期刊发表论文70多篇,受邀在Adv. Phys., Adv. Funct. Mater.等期刊发表3篇长篇综述论文。申请国际国内发明专利25项(已授权14项)。近5年来主持广东省重大专项、基金委面上、广东省教育厅创新团队项目等6项。曾获2015年“南粤优秀教师”、2016年“中国十大新锐科技人物”等称号。指导学生获2015年全国"大学生挑战杯"特等奖、中国光学学会王大珩“高校学生光学奖”等。研究团队拥有超过1000 m2的超净间和价值2000多万的材料和器件制备设备以及测试仪器。
前沿科研成果
具有三维仿生分形结构的电解水催化剂
分形结构广泛存在于自然界的树叶、海岸线、血管网络中,其可以深入地接触其它相(气相、液相),从而能高效快速地传输物质。在前期理论研究(Nat. Commun. 2016, 7, 12825)的基础上,作者将分形结构应用在电解水催化剂的结构设计中,制备得到具有优异性能的电解水催化剂。
作者首先基于电沉积原理和晶体生长动力学原理在泡沫镍基底上生长分形的树枝状镍(DNT),其是一种稳定的电子传导基体。随后,作者将DNT置于纯水中,通过水微弱的氧化作用,在DNT表面生成Ni(OH)2纳米片,形成Ni(OH)2/DNT。DNT在保持高效电子传输的基础上,增添了新一级的分形结构,进一步增大了比表面积,促进了与水的接触以及生成气体的快速逸出,从而提升了转换效率。最后,作者将Ni(OH)2/DNT置于含Fe2+的溶液中,通过水热反应进行原位Fe2+的掺杂,最终形成具有分形结构的Fe/Ni(OH)2/DNT电解水催化剂(Fig. 1),其具有优良的稳定性。
(来源:Chem. Commun.)
作者对制备成功的Fe/Ni(OH)2/DNT电解水催化剂进行结构表征和性能测试(Fig. 2和3)。XPS全谱确认了催化剂中Ni、Fe和O的存在。高分辨率XPS谱图显示Ni和Fe以Ni2+和Fe2+的氧化态形式存在,O存在于氧-金属键和羟基中。高分辨率TEM图像证实了Ni(OH)2纳米片的原子间距离为0.214 nm,与Ni(OH)2的(101)面相同,并在与Fe反应后,改变了晶面间距,证实了应力作用。XPS和TEM图表明Fe、Ni之间具有良好的应力效应和电子耦合,因而可以增强催化剂的催化效果。
(来源:Chem. Commun.)
电化学测试结果显示,Fe/Ni(OH)2/DNT在溶液中的界面阻极小,仅为0.35 Ω,这证实了分形结构在传输电子过程中的优越性。Tafel斜率可以反映催化剂的催化性能,具有分形结构的Fe/Ni(OH)2/DNT的Tafel斜率仅为59 mV/dec,优于贵金属催化剂RuO2(89.7 mV/dec),这进一步证实了分形结构的优越性。并且,在去除分形结构的表面积作用后,单位活性面积的催化活性,仍然与贵金属催化剂活性相当。此外,催化剂在过电势为227 mV时,即获得了10 mA/cm2的电流密度,并且在100000 s稳定性测试后,依然保持了原有的性能,这证实了该设计思路的杰出性。
(来源:Chem. Commun.)
相关研究成果发表在Chem. Commun.(DOI: 10.1039/C8CC08221A)上,硕士研究生魏巍为第一作者,通讯作者为华南师范大学高进伟教授。上述工作得到了国家自然科学基金(No:2016YFA0201002)和广东省创新团队(No:2016KCXTD009)等项目基金支持。
关于人物与科研
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