大连理工大学侯军刚教授课题组在高效光/电催化应用研究取得重要进展

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随着社会经济的快速发展，化石能源的过度消耗，导致了全球性的能源和环境危机。为探索新能源的可持续发展，基于光催化与电催化研究引起了学术界的广泛关注。

大连理工大学精细化工国家重点实验室孙立成院士团队的侯军刚教授在该领域取得重要进展。在太阳能光催化分解水领域，如何提高光生载流子的定向移动，避免载流子复合，成为光催化体系中的关键科学问题。为了促进光生载流子的分离和传输，侯军刚教授等人构建了二维In₂O₃-x/In₂S₃原子层异质结，其异质结光电极在1.23 V vs. RHE条件下光电流高达1.28mA cm^-2，是In₂S₃纳米片的21倍和块体In₂S₃的79倍(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701114)。基于异质结和形貌工程策略，侯军刚教授等人构筑了三维多孔金字塔型In₂O₃/In₂S₃阵列，原子层沉积工艺沉积超薄TiO₂保护层，其保护型In₂O₃/In₂S₃阵列光电极在1.23 V vs. RHE条件下光电流高达8.2mA cm^-2，远远高出同类电极体系(Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1902935)。这系列工作突破单一材料性能的瓶颈，探索异质结体系的表/界面的形成机理、构效关系及调控方法，为催化体系构建提供了重要依据。

清洁可再生能源备受关注，电催化分解水被认为是一种高效，环境友好型的制氢技术。现今，贵金属催化剂表现出优异的电催化性能，然而，储量少及高昂的价格限制了其在工业中的应用，为此，开发廉价电催化剂尤为迫切。

利用可再生能源通过电化学二氧化碳还原反应将CO₂转化为有价值的碳质燃料和化学品被认为是一种可规模化的战略，具有可观的环境和经济效益。目前，该领域的主要挑战是开发对目标产物具有优异电催化活性和选择性的纳米催化剂。

侯军刚教授等人 通过液相合成的方式制备了多孔的硫改性的镉催化剂(P-Cd|S)。与未改性的Cd金属相比，P-Cd|S结构具有优异的CO选择性 。通过传质模型的有限元分析，证明了硫改性的镉的高活性部分归功于多孔结构诱导的局部碱化和析氢副反应抑制。通过原位拉曼、红外和X射线光电子能谱以及理论计算，证明了 双活性位点组成的共价杂化的sp带与反应中间体之间存在强相互作用，从而自然地消除了scaling relations的动力学限制，实现了产物从HCOOH到CO的转变 (Adv. Energy Mater. 2020, 2002499)。基于之前的工作，侯军刚教授等人综述了近年来对纳米催化剂的非金属物种修饰的研究进展，着重详述了基于非金属物种的调控策略，包括杂原子引入，有机分子修饰，电解液工程以及单原子工程。结合实验、原位表征和理论计算，归纳出了非金属物种改性对于构建独特的活性中心，克服二氧化碳还原的动力学限制具有重要意义(Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000588)。这系列工作对于电催化二氧化碳还原反应的选择性调控提出了深刻的见解，有助于加速推进绿色碳循环的机理研究及实际应用。
为了满足工业电解水制氢，所要求的条件：催化剂原料廉价，制备工艺简单和大电流密度下活性和稳定性高。大电流密度(≥500 mA cm^-2)是工业电解水器件的现实需求。为此，侯军刚教授通过等离子体氧化和氢化工艺构筑了缺陷态镍钼氧化物/硫化物异质结阵列，在碱溶液中均表现出了优异的电催化析氧和析氢性能，仅需要186 mV过电势达到10 mA cm^-2的析氧电流以及38mV过电势达到10 mA cm^-2的析氢电流。更重要的是，将这种复合体阵列电极分别作为阳极和阴极进行全分解水反应时，仅需1.46V的电压便能够达到10 mA cm^-2的电流密度。关键之处，其在低电压便能够达到500mA cm^-2和1000mA cm^-2电流密度，并能在500mA cm^-2高电流密度下稳定工作500小时(Nature Commun. 2020, DOI : 10.1038/s41467-020-19214-w)。

该系列研究工作得到了中共中央组织部，国家自然科学基金委和大连理工大学的资助支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19214-w

来源：大连理工大学

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