华中科技大学江建军教授团队：构筑双作用位点在电催化分解水中的协同效应

【成果简介】

10月19日，华中科技大学光电信息学院江建军教授团队关于双作用位点在电催化分解水过程中的协同效应研究最新成果“Synergistic Effect of Two Actions Sites on Cobalt Oxides towards Electrochemical Water-Oxidation” 在线发表在新能源领域国际知名期刊Nano Energy上。该系列相关工作获得了多项国家自然科学基金和武汉市科技应用项目的支持。

【图文导读】

图1 注入孔在OER路径中产生（HO + H）^*额外步骤的示意图

图2 CoOOH和Vo-CoOOH的TEM图像以及典型HAADF-STEM，EELS元素映射图像

（a-c）CoOOH的TEM图像；

（d-f）Vo-CoOOH的TEM图像；

（g-i）典型HAADF-STEM，EELS元素映射图像。

【研究内容】

H₂由于丰富、储能量高、清洁燃烧和潜在的可再生性，被认为是化石燃料的替代物；而电解水产生氢气和氧气则为扩大生产高纯度氢气提供了可能。但是，水分解的两个半反应——H₂和O₂的演化反应（HER和OER），需要较高的过电位才能达到催化所需的电流密度，这导致能量转换效率相对较低。尽管研究人员已经发现许多非金属基材料具有优异的HER催化性能，但OER由于涉及多重电子耦合的电子转移步，仍要求更高的超电势来匹配HER的速率，并且OER被认为是水分解的瓶颈。因此，当前亟待开发活性OER催化剂。

材料基因组技术对新材料研发具有巨大推动作用，基于密度泛函理论和分子动力学方法的材料计算分析可很大程度加深对反应微观机制理解，相关研究在国内方兴未艾。该团队在江建军教授和缪灵副教授的指导下，结合第一性原理计算得到二维过渡金属硫化物（TMDs）的HER过程构效关系，以此来指导其催化活性的设计优化。在3月发表的工作中，博士生王劲松等系统地研究了TMDs的电化学析氢反应活性，研究表明TMDs的析氢活性与材料的电子亲和能相关。利用此构效关系，指导设计了高HER活性的掺杂TMDs催化剂材料(Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19: 10125-10132)。在4月发表的工作中，博士生陈驰等研究了不同β相MnO₂晶面的电化学活性，并提出通过F离子对晶面调控，可制备大量高电化学活性的(001)晶面，有效提升其电化学性能(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (17): 15176–15181)。

江建军教授团队自2012年以来在电化学储能及能源转化领域开展了一系列理论和实验研究工作，发表了高水平论文60余篇，已受到国内外相关领域研究者高度关注，累计他引近千次。目前已有2篇成果成为热点论文(Hot paper, ESI排名前0.1％)以及5篇成为高引论文(High cited paper, ESI排名前1％)。其中陈海潮博士（2015年湖北省优秀博士论文奖获得者）采用一种简易的两步水热法，成功制备了具有高电导率海胆状的镍钴硫化物电极材料，为合成其他特殊结构的硫化物提供了新思路(Nanoscale, 2013, 5, 8879-8883,被引257次)。万厚钊博士采用牺牲模板法制备出多孔镍钴硫纳米管电极材料，由于其高电子导电性和高离子扩散通道，表现出优异的电化学储能特性(CrystEngComm 2013, 15: 7649-7651,被引130次)。博士生吉晓、徐葵、陈驰等结合第一性原理计算和分子动力学方法，系统地研究了超级电容器电极材料储能机理(J. Mater. Chem. A, 3: 9909-9914, 2015; Electrochimica Acta, 196: 75, 2016)。团队在Ni基纳米结构电化学电容器电极材料方向，受邀发表了题为Nanostructured Ni compounds as electrode materials towards high-performance electrochemical capacitors的综述(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14509-14538)。

江建军教授团队还与相关领域国内外多个知名课题组开展广泛合作，在包括Energy Environ. Sci.(9: 2586, 2016), Nano Lett (15: 4692, 2015), Advanced Energy Materials(6: 1501929, 2016), Nano Energy (12: 386, 2015; 12: 386, 2015; 11: 226, 2015)等能源、纳米领域顶级期刊发表了相关工作。并有3名博士生同学获得国家留学基金委资助，在国际著名课题组联合培养，攻读学位。

原文链接：http://news.hust.edu.cn/2017/1103/c155a88462/page.htm。

文献链接：Synergistic Effect of Two Actions Sites on Cobalt Oxides towards Electrochemical Water-Oxidation（Nano Energy，2017，DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.10.044）

本文由材料人编辑部王冰编辑，点我加入材料人编辑部。

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