中國石油大學（華東）新型碳材料團隊在新能源領域取得連續突破

“碳中和”已成為全球共識，我國長期低碳發展戰略明確了“碳中和”時間表。為實現這一目標，提升對傳統能源的利用效率、發展新能源技術是重要手段。中國石油大學（華東）新型碳材料團隊圍繞國家能源戰略布局，針對傳統能源提效、新能源技術開發中的關鍵科學及技術問題進行探索并取得連續突破，在化學及材料類頂級學術期刊Angewandte Chemie International Edition?（1篇）、Matter（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）、ACS Nano（1篇）等發表多篇高水平論文。

圖1. FeN_x/C碳基光催化劑的性能調控及產物分布

為拓展天然氣等高品質能源的應用領域，將主要成分甲烷直接選擇氧化為更易于運輸的液體產物是一條極具潛力的途徑，可極大擺脫對石油的依賴。然而，甲烷碳氫鍵的對稱四面體結構特別穩定，溫和條件下難以活化轉化。針對這一難題，新型碳材料團隊開發了新型的FeN_x/C碳基光催化劑，通過調控內部FeN_x的自旋態和Fe/Fe₃C的含量，在常溫常壓下實現高達18%的甲烷轉化率，液體產物選擇性達到96%，其中主要產物甲酸產率可達4659 μmol·g cat^-1，選擇性高達90%（圖1）。此結果是已有報道的常溫常壓下H₂O₂光催化體系中選擇性氧化甲烷制備甲酸的最高活性。相關成果發表在化學領域頂級期刊Angewandte Chemie International Edition上，吳文婷教授和吳明鉑教授為共同通訊作者，中國石油大學（華東）為第一署名單位。

圖2. Co-V-O橋鍵提升電解水性能機理

氫氣具有能量密度大、使用過程無污染、無溫室氣體排放等優點，是推動能源技術革命的重要能源載體。電解水制氫技術是氫循環的關鍵環節，但常見電催化劑緩慢的載流子傳輸過程使得電解水制氫的效率低，難以滿足應用需求。有鑒于此，我們提出在廉價CoO電催化劑中引入Co-V-O橋鍵，通過自旋翻轉跳躍過程減小電荷傳輸能壘，提升電催化分解水性能，如圖2所示。這種含有Co-V-O橋鍵的催化劑可生長在不同導電基底上，使得這類催化劑具有極高的實用價值。相關成果發表在材料領域頂級期刊Advanced Functional Materials上，李忠濤教授、吳明鉑教授和南開大學胡振芃教授為共同通訊作者，中國石油大學（華東）為第一署名單位。

發展光電、風電等清潔電能是優化能源結構的重要手段，這些間歇性電能的有效利用亟需高性能電化學儲能系統，特別是兼具高能量密度和高功率密度的儲能系統。在這一趨勢下，贗電容型負極材料的開發成為了儲能材料重點關注的方向。雜多酸團簇具有接受和存儲多個電子的能力，被稱為“電子海綿”，是近年來廣受關注的一種新型儲鋰/儲鈉材料。此外，雜多酸團簇顆粒結構高度可調，易于實現贗電容特性。然而，雜多酸電極材料僅能在低載量下實現高容量和高倍率；另外，雜多酸不穩定，在電化學儲鋰/鈉過程中結構容易破壞。如何在高載量下發揮雜多酸結構可調、氧化還原特性豐富的優勢，同時提高其穩定性仍充滿挑戰。我校新型碳材料團隊充分分析了雜多酸的生長過程，提出在制備雜多酸的弱酸性條件下引入MXene誘導雜多酸前驅體離子的吸附、雜多酸成核以及可控生長；通過雜多酸與MXene之間的化學鍵合作用提升雜多酸的穩定性，利用MXene與雜多酸原位組裝形成的復合結構協同電子傳導與離子輸運；基于雜多酸與MXene間協同作用實現了高載量下的贗電容儲鋰/鈉（圖3），所構筑的鋰離子電容器和鈉離子電容器均表現出優異的性能。該工作發表在國際知名學術期刊Advanced Functional Materials上，胡涵教授和吳明鉑教授為共同通訊作者，中國石油大學（華東）為第一署名單位。

圖3. 雜多酸與MXene復合結構提升高載量下贗電容儲鋰/鈉性能

另外，團隊還開發了新型富本征缺陷碳材料，通過可控移除碳材料表面雜原子引入本征缺陷。本征缺陷可調控碳材料表面電子結構，經優化后的富缺陷碳材料對多硫離子具有非常高的吸附和催化轉化特性，如圖4所示。當作為鋰硫電池正極硫載體時，富缺陷碳材料表現出非常優異的電化學性能。相關成果發表在納米材料領域頂級期刊ACS Nano上，胡涵教授和吳明鉑教授為共同通訊作者，中國石油大學（華東）為第一署名單位。

圖4. 富本征缺陷碳材料促進對多硫化物的吸附和催化轉化

鑒于在相關領域取得的成果，新型碳材料團隊應邀在國際頂級學術期刊Cell姊妹刊Matter上發表題為Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion綜述文章（圖5）。胡涵教授、吳明鉑教授和北京化工大學邱介山教授為共同通訊作者，中國石油大學（華東）為第一署名單位。

圖5. 激光輻射調控電極材料結構及性能策略

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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