文章信息
Co納米顆粒/Co2C納米線間的界面工程促進(jìn)水分解動(dòng)力學(xué)
第一作者：王鵬彥
通訊作者：木士春*，劉蘇莉*，肖金生*
單位：武漢理工大學(xué)，南京曉莊學(xué)院
研究背景
諸如風(fēng)能、水力發(fā)電、太陽(yáng)能等可再生能源可用性波動(dòng)的瓶頸已經(jīng)推動(dòng)了對(duì)能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存技術(shù)的迫切需求。電解水被認(rèn)為是一種將可再生能源轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)且碳中性的氫能的有前途的策略。原理上講，電解水過(guò)程中水分子通過(guò)氧析出反應(yīng)（OER）和氫析出反應(yīng)（HER）分解為氧氣和氫氣。然而，目前電解水技術(shù)受限于OER和HER緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此迫切需要開(kāi)發(fā)出高活性的雙功能電催化劑以促進(jìn)水分解動(dòng)力學(xué)。
文章簡(jiǎn)介
基于此，來(lái)自武漢理工大學(xué)的木士春教授、肖金生教授與南京曉莊學(xué)院的劉蘇莉教授合作，在國(guó)際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上發(fā)表題為“Interfacial Engineering of Co Nanoparticles/Co2C Nanowires Boosts Overall Water Splitting Kinetics”的研究文章。該文章在理論預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上合成了Co納米顆粒/Co2C納米線界面結(jié)構(gòu)，并探究了其在水分解過(guò)程的催化活性。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：密度泛函理論（DFT）預(yù)測(cè)活性趨勢(shì)
DFT計(jì)算結(jié)果表明Co-Co2C界面在費(fèi)米能級(jí)處呈現(xiàn)出高于Co和Co2C的態(tài)密度值，說(shuō)明兩者的耦合有利于提升電子導(dǎo)電性。此外，OER中間體吸附和氫吸附的吉布斯自由能計(jì)算結(jié)果表明界面工程能有效降低反應(yīng)能壘，從而促進(jìn)水分解動(dòng)力學(xué)。
圖1. 基于態(tài)密度及OER中間體吸附和氫吸附吉布斯自由能的理論計(jì)算。
要點(diǎn)二：構(gòu)筑納米線表面修飾納米顆粒的界面結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)水熱后退火處理的兩步法制備了Co-Co2C異質(zhì)結(jié)構(gòu)。借助XRD、FESEM、HRTEM、EDX mappings及酸洗處理等方法，證明了金屬Co以納米顆粒的形式修飾于Co2C納米線表面，形成了具有協(xié)同效應(yīng)的異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)。
圖2. Co-Co2C/CC催化劑的合成示意圖及結(jié)構(gòu)表征。
要點(diǎn)三：界面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出出色的催化活性
如DFT計(jì)算所預(yù)測(cè)的，受益于豐富的活性位點(diǎn)、出色的固有活性及適宜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，Co-Co2C/CC材料在堿性介質(zhì)中對(duì)OER（261 mV @ 10 mA cm-2）和HER（96 mV @ 10 mA cm-2）表現(xiàn)出出色的催化活性。重要的是，用其組裝的堿性電解槽不僅呈現(xiàn)出出色的水分解效率，而且能被商業(yè)太陽(yáng)能電池所驅(qū)動(dòng)。
圖3. Co-Co2C/CC催化劑的OER活性探究。
圖4. Co-Co2C/CC催化劑的HER活性探究。
本文鏈接
Interfacial Engineering of Co Nanoparticles/Co2C Nanowires Boosts Overall Water Splitting Kinetics
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321004604
通訊作者介紹
木士春 教授。
武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師。主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、電化學(xué)產(chǎn)氫、鋰離子電池材料和碳納米材料等研究工作。目前，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表250余篇SCI學(xué)術(shù)論文，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利近102件，其中授權(quán)84件。
劉蘇莉 教授。
2014年畢業(yè)于南京師范大學(xué)獲理學(xué)博士學(xué)位，2019-2020年赴武漢理工大學(xué)木士春教授實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期一年的學(xué)術(shù)訪問(wèn)研究，現(xiàn)為南京曉莊學(xué)院教授。主要從事新能源材料及催化劑等相關(guān)研究。以第一作者或通訊作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、Adv. Sci.、Appl. Catal. B Environ.等國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文40余篇。
肖金生 教授。
武漢理工大學(xué)教授，加拿大三河城魁北克大學(xué)（UQTR）氫能研究所客座教授。主要從事氫能燃料電池電動(dòng)汽車系統(tǒng)建模；氫氣純化、儲(chǔ)存與加注過(guò)程優(yōu)化；電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砼c安全等相關(guān)研究。主持和參加20余項(xiàng)科研項(xiàng)目，其中國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)際合作項(xiàng)目8項(xiàng)，發(fā)表SCI論文近50篇。