近日,我校儲能與催化材料團隊在團簇催化和稠環(huán)芳烴電極材料研究方面取得系列進展。研究成果分別發(fā)表在《自然通訊》《德國應(yīng)用化學(xué)》《材料化學(xué)雜志》《碳》四個化學(xué)和材料類國際著名期刊。
在能源存儲與轉(zhuǎn)化過程中,電極材料發(fā)揮至關(guān)重要的作用,如何量體裁衣式設(shè)計電極材料是目前此領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一。鑒于此,儲能與催化材料團隊圍繞電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵科學(xué)問題開展了深入研究,旨在通過電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、電化學(xué)體系優(yōu)化及系統(tǒng)機制分析,為開發(fā)高效的能源化工材料提供理論依據(jù)和實踐借鑒。
在增強電催化氫氧化研究工作中,科研人員首次在氫氧化催化領(lǐng)域提出分子團簇催化劑概念。該研究通過優(yōu)化還原體系及篩選配體,首次設(shè)計合成了原子級精度的Pt6納米團簇,實現(xiàn)了對鉑原子數(shù)量、表面化學(xué)的精準調(diào)控。Pt6團簇電催化劑成功應(yīng)用于H2氧化催化反應(yīng),表現(xiàn)出超高的質(zhì)量催化活性。此外,Pt6納米團簇電催化劑也表現(xiàn)出傳統(tǒng)Pt/C催化劑所不具備的良好CO耐受力。在此基礎(chǔ)上,揭示了Pt6納米團簇的高效催化活性和增強機制,發(fā)現(xiàn)團簇結(jié)構(gòu)和三苯基膦配體能顯著調(diào)節(jié)Pt原子的d帶電子結(jié)構(gòu),進而增強電催化反應(yīng)動力學(xué)和活性。
在新型可靠多環(huán)芳烴正極材料用于鋁離子電池的研究中,科研人員首次發(fā)現(xiàn)了單層共軛結(jié)構(gòu)有機分子的儲鋁活性及機制,打破了石墨正極儲鋁過程中多階插層化合物形成對儲鋁容量的理論限制。受石墨大共軛π鍵的啟發(fā),具有單層共軛結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳烴有可能具有儲鋁活性,該研究選用具有小共軛體系的苯及多環(huán)芳烴小分子作為研究對象,首次驗證了該類小分子作為鋁離子電池正極的可行性,發(fā)現(xiàn)了共軛芳烴小分子的儲鋁活性規(guī)律和機制,為尋找用于鋁離子電池甚至其他儲能器件的高性能有機電極材料開辟了新視野,也拓寬了鋁離子正極材料的類型。
針對金屬鋁負極的電化學(xué)腐蝕析氫問題,科研人員設(shè)計了雜化高濃電解液,利用TFSI離子的溶劑化效應(yīng)降低電解液中游離水分子比例,密度泛函理論計算結(jié)果表明,電解液中的游離水分子比例能夠降低97%,有效抑制了電化學(xué)腐蝕和析氫反應(yīng)。
針對有機電解液中活性炭材料在高工作電壓下表面存在的電解液分解現(xiàn)象,科研人員采用表面氟化鈍化策略,增加電解液分解反應(yīng)能壘,有效抑制了電解液分解副反應(yīng),進而提高碳材料的工作電壓窗口。對商用活性炭電極進行表面氟鈍化后,所制備有機體系雙電層電容器的穩(wěn)定電壓窗口由2.7V提高到3.3V,并表現(xiàn)出超長的循環(huán)壽命(20000次循環(huán)后電容保持98.3%),同時能量密度提高1.5倍,達到43.3Whkg-1,優(yōu)于此前報道的有機雙電層電容器。
以上四項研究成果分別以《原子級Pt6納米簇增強電催化氫氧化》(王小寧博士、趙聯(lián)明副教授和李學(xué)進副教授為共同第一作者)、《用于鋁離子電池的新型可靠多環(huán)芳烴正極材料》(孔冬青博士、蔡同輝博士后為共同第一作者)、《混合電解液抑制水系鋁離子電池析氫和負極腐蝕》(我校李學(xué)進副教授和廣東工業(yè)大學(xué)唐永超副教授為共同第一作者)、《碳表面鈍化增強能量存儲》(張譽博士、趙聯(lián)明副教授為共同第一作者)為題,發(fā)表在《自然通訊》《德國應(yīng)用化學(xué)》《材料化學(xué)雜志》《碳》上。
邢偉教授領(lǐng)銜的儲能與催化材料團隊長期從事新能源材料領(lǐng)域的研究,近年來承擔(dān)國家自然科學(xué)基金7項,山東省自然科學(xué)基金杰出青年基金、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目、中國石油重大超前儲備項目、山東省泰山學(xué)者青年專家支持計劃等課題20余項,發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,論文他引8000余次。研究成果獲山東省自然科學(xué)一等獎2項,教育部高等學(xué)??茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎自然科學(xué)二等獎1項。
原標(biāo)題:儲能與催化材料團隊在電極材料研究方面取得系列進展