近日,中南大學粉末冶金國家重點實驗室雷永鵬特聘教授團隊在氫能及金屬空氣電池領域取得進展,相關研究成果陸續發表在《Nano Energy》《Advanced Energy Materials》《Science China Materials》和《ACS Nano》等國際權威期刊。
利用清潔電能分解水是一種綠色的制氫方案,工業電解槽大多採用鹼性電解液,由於鹼性介質中H+的濃度很低,電催化氫析出反應(HER)往往需要較高的反應過電勢來加速H*中間體的生成。雷永鵬團隊構建了一種皮芯結構的電催化劑,其內部為硒摻雜的磷化鈷,外部為氮摻雜的碳。實驗和理論計算表明,硒摻雜促進了電子從內部磷化物到外部碳層的轉移,加快了析氫决速步驟,實現了鹼性電解液中突出的HER效能。同時,碳層起到保護作用,有利於催化劑在大電流密度下的穩定性。該成果發表在《Nano Energy》,碩士生劉毅、馮慶國教授、劉煒教授為共同第一作者,雷永鵬為通訊作者。
皮芯結構催化劑的HER活性與穩定性
作為水分解的另一個半反應,氧析出反應(OER)需要經歷4個電子的轉移,動力學行程更為緩慢,開發具有優异耐久性的高活性OER電催化劑充滿挑戰。雷永鵬團隊構造了鎳鐵層狀雙氫氧化物修飾的磷化物,實驗揭示了催化劑的重構現象,生成的羥基氧化物充當OER的活性組分。鎳鐵層狀雙氫氧化物修飾的磷化物作為水分解的陰極和陽極,在100 mA cm-2的高電流密度下穩定工作超過275小時。這項工作實現了多功能催化資料不同活性成分間的偶合,為設計多功能電催化劑提供了參攷。該成果發表在《Science China Materials》,聯合培養碩士生宋成葉、劉毅、王裕超為共同第一作者,雷永鵬為通訊作者。
靜電紡絲製備的納米纖維(碳基和非碳基)電催化劑具有長徑比高、電荷傳輸路徑短和化學性質穩定等突出特點,在電化學能源器件中表現出巨大潜力。基於前期研究基礎,雷永鵬受邀撰寫了電紡無機納米纖維用於氧電催化的設計、合成和進展的綜述。該工作重點介紹了靜電紡絲工藝的基本原理,碳基纖維電催化劑的調控策略和進展,並突出了自支撐電極的優勢。同時也討論了不同種類非碳基纖維催化劑及其複合材料。該成果發表在《Advanced Energy Materials》。雷永鵬、博士生王啟晨為共同第一作者,周科朝、彭生傑、雷永鵬為共同通訊作者。
燃料電池、金屬空氣電池、金屬硫電池和金屬離子電池等是下一代電化學能量存儲(或轉換)裝置的候選者,涉及到氧還原、硫轉換等電極反應,催化劑能提高反應速率和輸出效能,是上述器件的覈心資料之一。單原子催化劑(SACs)能有效增强氧化還原動力學,調節反應介面處的相互作用,從而提高器件效能。文章簡要總結了下一代電化學能量存儲(或轉換)裝置的背景知識、工作原理以及挑戰,闡明了SACs對於解决這些瓶頸的重要意義,並討論了基於SACs的下一代電化學能量存儲和轉換裝置發展方向。該成果發表在《ACS Nano》,聯合培養碩士生王裕超、博士生褚福路為共同第一作者,雷永鵬、吳飛翔為共同通訊作者。
單原子催化劑在下一代電化學能源儲存與轉換器件中的應用
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