本網(wǎng)訊 近日，中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雷永鵬教授等在金屬電催化材料領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果接連發(fā)表在《Energy & Environmental Science》《Advanced Functional Materials》《Journal of Materials Chemistry A》《Chemical Communications》等國(guó)際權(quán)威期刊。

電催化CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）能夠在溫和條件下生成燃料和化學(xué)品等，為維持全球碳平衡和緩解能源短缺提供了一條可持續(xù)的途徑。單原子催化劑（SACs）包括彼此分隔開(kāi)的活性金屬中心和載體，最大化的原子利用效率和高的本征活性使其備受關(guān)注。調(diào)節(jié)SACs中活性位點(diǎn)的配位結(jié)構(gòu)（配位鍵、配位數(shù)、鍵長(zhǎng)、鍵角等）可以影響電子轉(zhuǎn)移和反應(yīng)中間體的吸附態(tài)，進(jìn)而調(diào)控CO₂RR的活性和選擇性。文章總結(jié)了典型的配位構(gòu)型和常見(jiàn)的表征工具；以碳基單分散過(guò)渡金屬原子為例，揭示了配位結(jié)構(gòu)與同步輻射光譜之間的關(guān)聯(lián)；討論了基于碳載體和非碳載體中心/配位原子的設(shè)計(jì)、調(diào)控策略，尤其是配位結(jié)構(gòu)對(duì)電流密度、還原產(chǎn)物、反應(yīng)路徑等的影響及反應(yīng)過(guò)程中催化劑的重構(gòu)。該成果發(fā)表在《Energy & Environmental Science》，聯(lián)合培養(yǎng)碩士生王裕超為第一作者，雷永鵬為通訊作者。

單原子催化劑用于火星CO₂RR示意圖

氫氣是化石能源的理想替代品，利用可再生電能電解水是非常重要的制氫方法。然而，堿性條件下的氫析出反應(yīng)（HER）面臨動(dòng)力學(xué)緩慢、過(guò)電勢(shì)高等問(wèn)題，亟需高效的電催化劑驅(qū)動(dòng)水分解和質(zhì)子還原。尖晶石型過(guò)渡金屬氧化物具有廉價(jià)、無(wú)毒、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移來(lái)提高其堿性HER性能具有重要意義。作者在富缺陷氧族化合物表面引入碳層，構(gòu)建了一種典型的肖特基結(jié)。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，富缺陷的CoFe₂O₄呈現(xiàn)金屬性，氮摻雜碳呈半導(dǎo)體特性，電子從內(nèi)部的氧化物和合金流向外部的氮摻雜碳，有效促進(jìn)了催化劑表面發(fā)生的HER反應(yīng)，并為氧化物用于堿性HER提供了借鑒。該成果發(fā)表在自然指數(shù)期刊《Chemical Communications》，聯(lián)合培養(yǎng)碩士生王裕超、劉標(biāo)副教授、20屆碩士生劉毅為共同第一作者，雷永鵬為通訊作者。

構(gòu)建的肖特基結(jié)促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移，提高了HER電流密度

此外，雷永鵬還和戴黎明教授、王平山教授合作，制備了Tpy-Co基聚合物金屬水凝膠用于水分解氧析出反應(yīng)，成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》。與四川輕化工大學(xué)的雷英老師合作，以生物質(zhì)轉(zhuǎn)化法制備了多孔碳負(fù)載的Fe單原子/Fe₂O₃團(tuán)簇，并用作鋅-空氣電池正極材料，成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Journal of Materials Chemistry A》。