日前，昆明理工大学材料科学与工程学院王劲松副教授在电解水制氢研究方向获得新进展，有关研究成就分别发表在Advanced Functional Materials和Journal of Colloid And Interface Science上。
日前，昆明理工大学材料科学与工程学院王劲松副教授在电解水制氢研究方向获得新进展，有关研究成就分别发表在Advanced Functional Materials和Journal of Colloid And Interface Science上。
成就1、
在“双碳”目的引领下，借助可再生能源驱动碱性电解水制备绿色氢气，已成为极具进步潜力的氢能制取技术。碱性析氢反应(HER)是该技术的核心环节，现在商用铂基催化剂虽催化性能优秀，但存在储量稀缺、本钱高昂的问题，不能满足大规模工业化应用需要，因此开发低本钱、高性能非贵金属电催化剂成为当下研究热门。碱性体系下的析氢反应包括多步基元过程，水分解动力学迟缓是制约催化效率的最重要问题。现阶段常使用元素掺杂、异质结构筑等方法优化催化剂性能，但传统异质材料常见存在界面边界密度低、活性位点数目不足的缺点。同时，反应体系受Brønsted|Evans|Polanyi 原理限制，形成很难破解的矛盾：增强羟基(*OH)吸附用途虽能加快水裂解，却会导致中间体很多堆积，进而毒化活性位点;减弱*OH 吸附虽可防止位点堵塞，又会直接抑制水分解过程。怎么样打破这一固有制衡关系，同步达成水分解、*OH 脱附和氢中间体(*H)吸脱附过程的高效进行，是碱性析氢催化范围亟待突破的核心难点。
基于此，论文设计并制备出Mo单原子负载Mo掺杂氧化镍(Mo|SAs/Mo|NiO)复合型电催化剂。研究借助Mo掺杂与Mo单原子构建原子级梯度亲氧结构，塑造“能量下坡”通道，驱动*OH自发溢流，破解*OH富集难点。结合理论计算与多维度实验表征，系统证实该结构可同步减少水分解能垒、优化氢中间体吸附能。电化学测试表明，有关催化剂在碱性体系中表现出超低过电位、迅速反应动力学与超长循环稳定性，综合性能优于多数相同种类镍基与单原子催化剂。研究提出的梯度吸附与动态中间体溢流方案，为碱性析氢及其他电催化体系提供了全新的设计思路。有关研究成就以“Synergistically Accelerating Water dissociation and Hydroxyl Spillover via Gradient Oxyphilic Structure on Mo|SAs/Mo|NiO for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution”为题，发表在Advanced Functional Materials期刊上，硕士研究生刘杨扬为论文第一作者，王劲松副教授为论文通讯作者。
成就2、
二氧化锰(MnO2)是水系锌离子电池极具应用前景的正极材料之一，主要得益于其理论比容量高、本钱低廉且安全性优秀。但该材料在充放电循环过程中存在锰溶解、导电性差、离子扩散动力学缓慢等问题，紧急制约了其商业化应用。论文设计了一种新型a/β−MnO2异质结构，将它用作锌离子电池正极材料。有关结构设计可结合迅速的离子扩散通道与稳定的晶体骨架，达成性能协同优化。理论计算与实验结果表明，异质结构引发的晶格扩张可拓宽离子扩散通道，帮助锌离子迅速迁移。同时，异质结构形成的内建电场与β相的锚定用途协同促进可逆相变，有效缓解姜|泰勒畸变并抑制锰元素溶解。电化学测试结果显示，a/β−MnO2异质电极在电流密度0.1A⋅g −1下，最大比容量可达402.7mA⋅h⋅g −1;在1A⋅g −1的大电流密度下循环 1000 圈后，容量维持率仍高达 77%，展示出优秀的循环稳定性，为合理设计高容量、长循环寿命的二氧化锰基水系锌离子电池正极材料提供了新思路。有关研究成就以“Achieving high|performance manganese oxide|based aqueous zinc|ion batteries via a heterostructure strategy”为题发表在Journal of Colloid And Interface Science上，硕士研究生孙津津为论文第一作者。
有关研究工作得到国家自然科学基金、云南科技厅优先年轻人基金和面上项目的资助。
文章链接：http://doi.org/10.1002/adfm.76496
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979726010337
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