我院刘勇平教授科研团队在(光)电催化领域取得重要研究进展

作者:刘勇平 发布日期:2021-09-27 浏览次数:

近日,我院刘勇平教授带领的“太阳能转化与利用”科研团队,在高效电催化、光电催化研究领域取得重要研究进展,并发表多篇高质量研究论文。

研究综述论文以“Advanced opportunities and insights on the influence of nitrogen incorporation on the physico-/electro-chemical properties of robust electrocatalysts for electrocatalytic energy conversion”为题在《Coordination Chemistry Reviews》(SCI一区TOP期刊,影响因子:22.31)上发表。我院Sundaram Chandrasekaran副教授为第一作者,我院刘勇平教授,深圳大学张培新教授、张晗教授,英国巴斯大学Chris Bowen教授为共同通讯作者。

电催化过程的能量转换效率的高低取决于催化剂的性能。随着氮原子掺杂策略的广泛应用,该方法在制备高效、稳定催化剂方面取得了迅速发展。最近已证明,氮掺杂策略能够调控暴露活性位点的电子密度,得到高性能电催化剂。在合成过程中,氮原子与裸碳、金属单原子、过渡金属氧化物、金属硫属元素化合物和MXenes上的局部原子配位之间保持强界面作用,这对于制备高效电催化剂方面起着重要作用。此外,氮原子与碳或金属原子结合的能力会受到合成条件的影响。本综述首次全面概述了含氮催化剂的合成策略对其化学、结构、物理电子性质的改变,以及如何影响其电催化氧还原(ORR)、析氧(OER)和析氢(HER)反应的性能。重点描述了如何利用特定策略来实现高效的电催化系统,包括掺氮催化剂的能量转换、结构调控和材料优化。最后,凝练了该方向在未来研究中面临的主要挑战。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214209

综述论文:氮掺杂对电催化剂的影响

电催化研究成果以“Tuning electronic configuration of WP2nanosheet arrays via nickel doping for high-efficiency hydrogen evolution reaction”为题在《Journal of Energy Chemistry》(SCI一区TOP期刊,影响因子:9.67)上发表。我院硕士研究生刘威为第一作者,我院刘勇平教授、范大勇博士、吕慧丹教授为共同通讯作者。

开发高效、稳定、环保、低成本、不含贵金属的电催化剂仍然是从水中大规模生产氢燃料的一大挑战。该工作通过原位磷化还原镍掺杂的WO3,在碳布上合成了镍掺杂的WP2自支撑纳米片阵列电催化剂(Ni-WP2NS/CC)。结果表明,杂原子掺杂和三维(3D)纳米片阵列有助于降低界面电荷转移电阻,并增加电化学活性表面积,有效提升电催化析氢反应(HER)活性。优化后的催化剂1% Ni-WP2NS/CC表现出出色的电催化性能,在10 mA cm-2下的过电位为110 mV,在酸溶液中的Tafel斜率为65 mV dec-1。DFT计算进一步证明镍掺杂可以调整电子器件的本征结构,降低氢的吉布斯吸附自由能(ΔGH*),有效提高HER性能。此项研究工作是在前期合成WP2纳米片(NS)阵列催化剂的工作基础上完成,前期研究成果以“Self-supported three-dimensional WP2(WP) nanosheet arrays for efficient electrocatalytic hydrogen evolution”为题在《International Journal of Hydrogen Energy》(SCI二区TOP期刊,影响因子:5.81)上发表,由我院刘勇平教授指导的硕士研究生刘威完成。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.06.068

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.144

电催化研究成果:Ni-WP2NS/CC自支撑纳米片阵列及电催化分解水制氢

光电催化研究成果以“The construction of a single-crystalline SbSI nanorod array-WO3heterostructure photoanode for high PEC performance”为题在《Chemical Communication》(SCI二区TOP期刊,影响因子:6.22)上发表。我院硕士研究生彭国良为第一作者,范大勇博士、刘勇平教授为共同通讯作者。

构造异质结和纳米结构光电极是提高光生电荷的分离和单位面积光电催化(PEC)性能的有效策略。碘硫化锑(SbSI)是一类经典的铁电半导体材料,带隙约为2.0 eV,这使其成为太阳能转换材料的理想选择。以SbSI材料作为光阳极的光电化学(PEC)性能研究尚无深入报道。这项研究工作成功制备了SbSI单晶纳米棒阵列-WO3异质结构筑的高效光电阳极。电极制备通过两步水热反应,然后进行碘化反应(WO3→Sb2S3/ WO3→SbSI / WO3),通过优化SbI3的溶剂[N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/ N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/二硫化碳(CS2)]。使用CS2作SbI3的溶剂可以在WO3纳米片上生长出高密度单晶SbSI纳米棒阵列,生长方向沿极性[001]方向,并具有出色的光电流性能(相对于RHE,在1.23V时约为2.1 mA / cm2)。构建SbSI / WO3异质结构是一种提高SbSI材料中光生电荷分离效率的有效途径。

论文链接:https://doi.org/10.1039/D0CC06148D

光电催化研究成果:Sb2S3/WO3光阳极及其光电化学性质

以上研究成果的第一完成单位均为桂林理工大学。研究工作得到国家自然科学基金、广西杰出青年基金、广西自然科学基金等项目的资助。

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