Appl Catal B-Environ：應用于新一代太陽能電池和電解水析氫的雙功能催化劑

【背景介紹】

對于新一代太陽能電池的光敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells，DSSCs）和電解水析氫裝置，常用的電催化材料是貴金屬Pt及Pt/C，但貴金屬資源稀缺、價格昂貴。因此，設計并開發高效、低成本的電極催化材料，對于其未來在新能源材料與器件中的實際應用具有重要意義。

【成果簡介】

近期，西安建筑科技大學材料學院功能材料研究所云斯寧教授（通訊作者）“無機非金屬能源材料高效和資源化利用”研究團隊在國際催化與環境領域頂級學術期刊Applied Catalysis B: Environmental發表學術論文，通過引入三維蘆薈廢棄物衍生碳（Three-dimensional aloe waste-derived carbon, 3D-AWC），成功地構筑了3D-AWC支撐的鉬基雙金屬氧化物復合催化材料。3D結構為催化材料增加了催化活性位點，提供了大量的電子傳輸通道。利用3D-AWC與鉬基雙金屬氧化物間的協同效應，有效地改善了催化劑的導電性和催化性能，實現了該類催化材料在新一代太陽能電池和電解水析氫中的雙功能應用。

3D-AWC支撐鉬基雙金屬氧化物復合催化材料雙功能應用

復合催化劑在碘還原和電化學析氫中表現出優異的電化學催化性能和電化學穩定性。作為碘還原電催化劑時，ZnMoO₄/3D-AWC，Cu₃Mo₂O₉/3D-AWC和MnMoO₄/3D-AWC組裝的新一代太陽能電池分別獲得了7.65%, 7.33%, and 6.92%的光電轉換效率。作為析氫催化劑時，ZnMoO₄/3D-AWC，Cu₃Mo₂O₉/3D-AWC和MnMoO₄/3D-AWC在1.0 M KOH電解液中，Tafel斜率分別為54 mV dec^-1, 76 mV dec^-1, 105 mV dec^-1。論文創新性地采用密度泛函第一性原理理論計算，對復合催化劑在碘還原和電化學析氫的催化機制進行了理論解釋。

【圖文導讀】

圖1. 三維蘆薈廢棄物衍生碳支撐鉬基雙金屬氧化物的構筑示意圖

圖2. 鉬基雙金屬氧化物及其復合催化劑的電化學催化碘還原性能

圖3. 鉬基雙金屬氧化物及其復合催化材料的光伏性能及碘還原

圖4. 三維蘆薈廢棄物衍生碳支撐鉬基雙金屬氧化物催化材料的電化學穩定性

圖5. 三維蘆薈廢棄物衍生碳支撐鉬基雙金屬氧化物器件的穩定性

圖6. 三維蘆薈廢棄物衍生碳支撐鉬基雙金屬氧化物催化劑的電化學析氫性能

圖7. 三維蘆薈廢棄物衍生碳支撐鉬基雙金屬氧化物催化劑的析氫穩定性

圖8. 鉬基雙金屬氧化物催化劑的能帶結構

圖9. 鉬基雙金屬氧化物催化劑的功函數

【總結】

這項工作基于催化劑雙功能應用的實際需求和復合材料的設計原則，將理論計算與實驗研究相結合，通過第一性原理計算從能帶結構和功函數兩個方面闡明催化機制，為設計和開發高性能多功能催化劑材料提供了設計思路。

可再生能源的大力開發對于緩解能源危機和環境污染問題至關重要。太陽能、氫能和生物質能作為豐富的可再生能源，其高效開發和利用對于能源結構的調整和社會的可持續發展意義重大。西安建筑科技大學云斯寧教授教授研究團隊，聚焦于太陽能和生物質能的利用，開展與無機非金屬材料相關的基礎研究和技術應用開發，力圖通過新能源材料的研究和開發，解決國家發展過程中的重大能源需求，實現資源化循環綜合利用。

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

【作者簡介】

通訊作者-云斯寧：西安建筑科技大學教授，博導，陜西省“高層次人才特殊支持計劃”科技創新領軍人才，陜西省創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才。2007年于西安交通大學獲博士學位，學位論文獲2007年度西安交通大學優秀博士論文(14/423)。2007年獲準國家留學基金委“西部地區人才培養特別項目”資助。2008-2009年在韓國Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT國家重點實驗室高級訪問研究。2015年8月訪問美國斯坦福大學、美國加州大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室。2016年8月英國里丁大學訪問交流。2016-2017年瑞士洛桑聯邦理工學院EPFL高級訪問交流。近年來主要從事無機非金屬能源材料高效和資源化利用研究。迄今以第一作者或通訊作者在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等國內外行業主流期刊上發表SCI論文90余篇。主編/參編專著9部，其中：主編外文專著2部；主編中文專著1部(2014獲中國石油和化學工業優秀出版物二等獎)；主編研究生教材1部；參編中國、法國、印度、瑞典、波蘭教授專著5部（之一下載量超過10萬余次）。擁有24項國家授權專利技術。