華中科技大學江建軍教授團隊：構筑雙作用位點在電催化分解水中的協同效應

【成果簡介】

10月19日，華中科技大學光電信息學院江建軍教授團隊關于雙作用位點在電催化分解水過程中的協同效應研究最新成果“Synergistic Effect of Two Actions Sites on Cobalt Oxides towards Electrochemical Water-Oxidation” 在線發表在新能源領域國際知名期刊Nano Energy上。該系列相關工作獲得了多項國家自然科學基金和武漢市科技應用項目的支持。

【圖文導讀】

圖1?注入孔在OER路徑中產生（HO + H）^*額外步驟的示意圖

圖2?CoOOH和Vo-CoOOH的TEM圖像以及典型HAADF-STEM，EELS元素映射圖像

（a-c）CoOOH的TEM圖像；

（d-f）Vo-CoOOH的TEM圖像；

（g-i）典型HAADF-STEM，EELS元素映射圖像。

【研究內容】

H₂由于豐富、儲能量高、清潔燃燒和潛在的可再生性，被認為是化石燃料的替代物；而電解水產生氫氣和氧氣則為擴大生產高純度氫氣提供了可能。但是，水分解的兩個半反應——H₂和O₂的演化反應（HER和OER），需要較高的過電位才能達到催化所需的電流密度，這導致能量轉換效率相對較低。盡管研究人員已經發現許多非金屬基材料具有優異的HER催化性能，但OER由于涉及多重電子耦合的電子轉移步，仍要求更高的超電勢來匹配HER的速率，并且OER被認為是水分解的瓶頸。因此，當前亟待開發活性OER催化劑。

材料基因組技術對新材料研發具有巨大推動作用，基于密度泛函理論和分子動力學方法的材料計算分析可很大程度加深對反應微觀機制理解，相關研究在國內方興未艾。該團隊在江建軍教授和繆靈副教授的指導下，結合第一性原理計算得到二維過渡金屬硫化物（TMDs）的HER過程構效關系，以此來指導其催化活性的設計優化。在3月發表的工作中，博士生王勁松等系統地研究了TMDs的電化學析氫反應活性，研究表明TMDs的析氫活性與材料的電子親和能相關。利用此構效關系，指導設計了高HER活性的摻雜TMDs催化劑材料(Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19: 10125-10132)。在4月發表的工作中，博士生陳馳等研究了不同β相MnO₂晶面的電化學活性，并提出通過F離子對晶面調控，可制備大量高電化學活性的(001)晶面，有效提升其電化學性能(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (17): 15176–15181)。

江建軍教授團隊自2012年以來在電化學儲能及能源轉化領域開展了一系列理論和實驗研究工作，發表了高水平論文60余篇，已受到國內外相關領域研究者高度關注，累計他引近千次。目前已有2篇成果成為熱點論文(Hot paper, ESI排名前0.1％)以及5篇成為高引論文(High cited paper, ESI排名前1％)。其中陳海潮博士（2015年湖北省優秀博士論文獎獲得者）采用一種簡易的兩步水熱法，成功制備了具有高電導率海膽狀的鎳鈷硫化物電極材料，為合成其他特殊結構的硫化物提供了新思路(Nanoscale, 2013, 5, 8879-8883,被引257次)。萬厚釗博士采用犧牲模板法制備出多孔鎳鈷硫納米管電極材料，由于其高電子導電性和高離子擴散通道，表現出優異的電化學儲能特性(CrystEngComm 2013, 15: 7649-7651,被引130次)。博士生吉曉、徐葵、陳馳等結合第一性原理計算和分子動力學方法，系統地研究了超級電容器電極材料儲能機理(J. Mater. Chem. A, 3: 9909-9914, 2015; Electrochimica Acta, 196: 75, 2016)。團隊在Ni基納米結構電化學電容器電極材料方向，受邀發表了題為Nanostructured Ni compounds as electrode materials towards high-performance electrochemical capacitors的綜述(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14509-14538)。

江建軍教授團隊還與相關領域國內外多個知名課題組開展廣泛合作，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、納米領域頂級期刊發表了相關工作。并有3名博士生同學獲得國家留學基金委資助，在國際著名課題組聯合培養，攻讀學位。

原文鏈接：http://news.hust.edu.cn/2017/1103/c155a88462/page.htm。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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