Appl Catal B-Environ：应用于新一代太阳能电池和电解水析氢的双功能催化剂

【背景介绍】

对于新一代太阳能电池的光敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，DSSCs）和电解水析氢装置，常用的电催化材料是贵金属Pt及Pt/C，但贵金属资源稀缺、价格昂贵。因此，设计并开发高效、低成本的电极催化材料，对于其未来在新能源材料与器件中的实际应用具有重要意义。

【成果简介】

近期，西安建筑科技大学材料学院功能材料研究所云斯宁教授（通讯作者）“无机非金属能源材料高效和资源化利用”研究团队在国际催化与环境领域顶级学术期刊Applied Catalysis B: Environmental发表学术论文，通过引入三维芦荟废弃物衍生碳（Three-dimensional aloe waste-derived carbon, 3D-AWC），成功地构筑了3D-AWC支撑的钼基双金属氧化物复合催化材料。3D结构为催化材料增加了催化活性位点，提供了大量的电子传输通道。利用3D-AWC与钼基双金属氧化物间的协同效应，有效地改善了催化剂的导电性和催化性能，实现了该类催化材料在新一代太阳能电池和电解水析氢中的双功能应用。

3D-AWC支撑钼基双金属氧化物复合催化材料双功能应用

复合催化剂在碘还原和电化学析氢中表现出优异的电化学催化性能和电化学稳定性。作为碘还原电催化剂时，ZnMoO₄/3D-AWC，Cu₃Mo₂O₉/3D-AWC和MnMoO₄/3D-AWC组装的新一代太阳能电池分别获得了7.65%, 7.33%, and 6.92%的光电转换效率。作为析氢催化剂时，ZnMoO₄/3D-AWC，Cu₃Mo₂O₉/3D-AWC和MnMoO₄/3D-AWC在1.0 M KOH电解液中，Tafel斜率分别为54 mV dec^-1, 76 mV dec^-1, 105 mV dec^-1。论文创新性地采用密度泛函第一性原理理论计算，对复合催化剂在碘还原和电化学析氢的催化机制进行了理论解释。

【图文导读】

图1. 三维芦荟废弃物衍生碳支撑钼基双金属氧化物的构筑示意图

图2. 钼基双金属氧化物及其复合催化剂的电化学催化碘还原性能

图3. 钼基双金属氧化物及其复合催化材料的光伏性能及碘还原

图4. 三维芦荟废弃物衍生碳支撑钼基双金属氧化物催化材料的电化学稳定性

图5. 三维芦荟废弃物衍生碳支撑钼基双金属氧化物器件的稳定性

图6. 三维芦荟废弃物衍生碳支撑钼基双金属氧化物催化剂的电化学析氢性能

图7. 三维芦荟废弃物衍生碳支撑钼基双金属氧化物催化剂的析氢稳定性

图8. 钼基双金属氧化物催化剂的能带结构

图9. 钼基双金属氧化物催化剂的功函数

【总结】

这项工作基于催化剂双功能应用的实际需求和复合材料的设计原则，将理论计算与实验研究相结合，通过第一性原理计算从能带结构和功函数两个方面阐明催化机制，为设计和开发高性能多功能催化剂材料提供了设计思路。

可再生能源的大力开发对于缓解能源危机和环境污染问题至关重要。太阳能、氢能和生物质能作为丰富的可再生能源，其高效开发和利用对于能源结构的调整和社会的可持续发展意义重大。西安建筑科技大学云斯宁教授教授研究团队，聚焦于太阳能和生物质能的利用，开展与无机非金属材料相关的基础研究和技术应用开发，力图通过新能源材料的研究和开发，解决国家发展过程中的重大能源需求，实现资源化循环综合利用。

Feng Han, Sining Yun*, Jing Shi, Yongwei Zhang, Yiming Si, Nosheen Zafar, Jingwen Li, Xinying Qiao. Efficient dual-function catalysts for triiodide reduction reaction and hydrogen evolution reaction using unique 3D network aloe waste-derived carbon-supported molybdenum-based bimetallic oxide nanohybrids. Applied Catalysis B: Environmental, 2020, 273, 119004, DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119004

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0926337320304197

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119004

【作者简介】

通讯作者-云斯宁：西安建筑科技大学教授，博导，陕西省“高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才，陕西省创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。2007年于西安交通大学获博士学位，学位论文获2007年度西安交通大学优秀博士论文(14/423)。2007年获准国家留学基金委“西部地区人才培养特别项目”资助。2008-2009年在韩国Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT国家重点实验室高级访问研究。2015年8月访问美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室。2016年8月英国里丁大学访问交流。2016-2017年瑞士洛桑联邦理工学院EPFL高级访问交流。近年来主要从事无机非金属能源材料高效和资源化利用研究。迄今以第一作者或通讯作者在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy Environ Sci, Adv Mater, Adv Energy Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy, Appl Catal B-Environ, Angew Chem Int Edit, J Mater Chem A, ChemSusChem, J Power Sources, Bioresource Technol等国内外行业主流期刊上发表SCI论文90余篇。主编/参编专著9部，其中：主编外文专著2部；主编中文专著1部(2014获中国石油和化学工业优秀出版物二等奖)；主编研究生教材1部；参编中国、法国、印度、瑞典、波兰教授专著5部（之一下载量超过10万余次）。拥有24项国家授权专利技术。