中国石油大学（华东）新型碳材料团队在新能源领域取得连续突破

“碳中和”已成为全球共识，我国长期低碳发展战略明确了“碳中和”时间表。为实现这一目标，提升对传统能源的利用效率、发展新能源技术是重要手段。中国石油大学（华东）新型碳材料团队围绕国家能源战略布局，针对传统能源提效、新能源技术开发中的关键科学及技术问题进行探索并取得连续突破，在化学及材料类顶级学术期刊Angewandte Chemie International Edition （1篇）、Matter（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）、ACS Nano（1篇）等发表多篇高水平论文。

图1. FeN_x/C碳基光催化剂的性能调控及产物分布

为拓展天然气等高品质能源的应用领域，将主要成分甲烷直接选择氧化为更易于运输的液体产物是一条极具潜力的途径，可极大摆脱对石油的依赖。然而，甲烷碳氢键的对称四面体结构特别稳定，温和条件下难以活化转化。针对这一难题，新型碳材料团队开发了新型的FeN_x/C碳基光催化剂，通过调控内部FeN_x的自旋态和Fe/Fe₃C的含量，在常温常压下实现高达18%的甲烷转化率，液体产物选择性达到96%，其中主要产物甲酸产率可达4659 μmol·g cat^-1，选择性高达90%（图1）。此结果是已有报道的常温常压下H₂O₂光催化体系中选择性氧化甲烷制备甲酸的最高活性。相关成果发表在化学领域顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上，吴文婷教授和吴明铂教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。

图2. Co-V-O桥键提升电解水性能机理

氢气具有能量密度大、使用过程无污染、无温室气体排放等优点，是推动能源技术革命的重要能源载体。电解水制氢技术是氢循环的关键环节，但常见电催化剂缓慢的载流子传输过程使得电解水制氢的效率低，难以满足应用需求。有鉴于此，我们提出在廉价CoO电催化剂中引入Co-V-O桥键，通过自旋翻转跳跃过程减小电荷传输能垒，提升电催化分解水性能，如图2所示。这种含有Co-V-O桥键的催化剂可生长在不同导电基底上，使得这类催化剂具有极高的实用价值。相关成果发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials上，李忠涛教授、吴明铂教授和南开大学胡振芃教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。

发展光电、风电等清洁电能是优化能源结构的重要手段，这些间歇性电能的有效利用亟需高性能电化学储能系统，特别是兼具高能量密度和高功率密度的储能系统。在这一趋势下，赝电容型负极材料的开发成为了储能材料重点关注的方向。杂多酸团簇具有接受和存储多个电子的能力，被称为“电子海绵”，是近年来广受关注的一种新型储锂/储钠材料。此外，杂多酸团簇颗粒结构高度可调，易于实现赝电容特性。然而，杂多酸电极材料仅能在低载量下实现高容量和高倍率；另外，杂多酸不稳定，在电化学储锂/钠过程中结构容易破坏。如何在高载量下发挥杂多酸结构可调、氧化还原特性丰富的优势，同时提高其稳定性仍充满挑战。我校新型碳材料团队充分分析了杂多酸的生长过程，提出在制备杂多酸的弱酸性条件下引入MXene诱导杂多酸前驱体离子的吸附、杂多酸成核以及可控生长；通过杂多酸与MXene之间的化学键合作用提升杂多酸的稳定性，利用MXene与杂多酸原位组装形成的复合结构协同电子传导与离子输运；基于杂多酸与MXene间协同作用实现了高载量下的赝电容储锂/钠（图3），所构筑的锂离子电容器和钠离子电容器均表现出优异的性能。该工作发表在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上，胡涵教授和吴明铂教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。

图3. 杂多酸与MXene复合结构提升高载量下赝电容储锂/钠性能

另外，团队还开发了新型富本征缺陷碳材料，通过可控移除碳材料表面杂原子引入本征缺陷。本征缺陷可调控碳材料表面电子结构，经优化后的富缺陷碳材料对多硫离子具有非常高的吸附和催化转化特性，如图4所示。当作为锂硫电池正极硫载体时，富缺陷碳材料表现出非常优异的电化学性能。相关成果发表在纳米材料领域顶级期刊ACS Nano上，胡涵教授和吴明铂教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。

图4. 富本征缺陷碳材料促进对多硫化物的吸附和催化转化

鉴于在相关领域取得的成果，新型碳材料团队应邀在国际顶级学术期刊Cell姊妹刊Matter上发表题为Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion综述文章（图5）。胡涵教授、吴明铂教授和北京化工大学邱介山教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。

图5. 激光辐射调控电极材料结构及性能策略

文章信息：

1. Xing, Y., Yao, Z., Li, W., Wu, W.*, Lu, X., Tian, J., Li, Z., Hu, H., and Wu, M.*, Fe/Fe₃C boost H₂O₂utilization for methane conversion overwhelming O₂ Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 10.1002/anie.202016888

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202016888

2. Li, Z.*, Yang, J., Chen, Z., Zheng, C., Wei, L. Q., Yan, Y., Hu, H., Wu, M.*, Hu, Z.*, V “Bridged” Co-O to Eliminate Charge Transfer Barriers and Drive Lattice Oxygen Oxidation during Water‐ Adv. Funct. Mater.2021, 31, 2008822.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202008822

3. Chao, H., Qin, H., Zhang, M., Huang, Y., Cao, L., Guo, H., Wang, K., Teng, X., Cheng, J., Lu, Y., Hu, H.*, Wu, M.*, Boosting the Pseudocapacitive and High Mass‐Loaded Lithium/Sodium Storage through Bonding Polyoxometalate Nanoparticles on MXene Nanosheets.  Funct. Mater.2021, DOI:10.1002/adfm.202007636.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202007636

4. Guan, L., Hu, H.*, Li, L., Pan, Y., Zhu, Y., Li, Q., Guo, H., Wang, K., Huang, Y., Zhang, M., Yan, Y., Li, Z., Teng, X., Yang, J., Xiao, J., Zhang, Y., Wang, X., and Wu, M.*, Intrinsic Defect-Rich Hierarchically Porous Carbon Architectures Enabling Enhanced Capture and Catalytic Conversion of Polysulfides. ACS Nano, 2020, 14, 6222-6231.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02294

5. Hu, H.*, Li, Q., Li, L., Teng, X., Feng, Z., Zhang, Y., Wu, M.*, Qiu, J.*, Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion. Matter, 2020, 3, 95-126.

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30234-4

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