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新型碳材料团队在能源转化及存储领域取得系列进展

发布时间:2021-03-23发布人:淡天俊

   近日,我院新型碳材料团队在能源转化及存储领域取得系列进展,相关研究成果分别发表在Angewandte Chemie International  Edition、Advanced Functional Materials、ACS  Nano、Matter等化学及材料类顶级学术期刊上,欧锦赛买球平台均为第一署名单位和通讯单位。该系列工作紧密围绕国家能源发展战略,针对传统能源提效、新能源技术开发中的关键科学及技术问题开展前瞻性研究工作,为提高石化资源利用效率、优化能源结构、推进传统能源与新能源的协同发展做出了积极贡献。

   题为《Fe/Fe3C提升H2O2利用,实现甲烷转化抑制 O2生成》(Fe/Fe3C Boosts H2O2 Utilization for Methane  Conversion Overwhelming O2 Generation)的成果发表在化学领域顶级期刊Angewandte Chemie  International Edition上,并被选为封面文章,2018级硕士研究生邢毅成为第一作者,吴文婷教授和吴明铂教授为共同通讯作者。

图1. FeNx/C碳基光催化剂的性能调控及产物分布

   为拓展天然气等高品质能源的应用领域,将主要成分甲烷直接选择氧化为更易于运输的液体产物是一条极具潜力的途径,可极大摆脱对石油的依赖。然而,甲烷碳氢键的对称四面体结构特别稳定,温和条件下难以活化转化。针对这一难题,新型碳材料团队开发了新型的FeNx/C碳基光催化剂,通过调控内部FeNx的自旋态和Fe/Fe3C的含量,在常温常压下实现高达18%的甲烷转化率,液体产物选择性达到96%,其中主要产物甲酸产率可达4659μmol·g cat-1,选择性高达90%(图1)。此结果是已有报道的常温常压下H2O2光催化体系中选择性氧化甲烷制备甲酸的最高活性。

   题为《V桥连氧化钒消除迁移能垒驱动晶格氧电解水》(V “Bridged” Co-O to Eliminate Charge Transfer  Barriers and Drive Lattice Oxygen Oxidation during  Water‐Splitting)的成果发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional  Materials上,李忠涛教授为第一作者,李忠涛教授和吴明铂教授为共同通讯作者。

图2. Co-V-O桥键提升电解水性能机理

   氢气具有能量密度大、使用过程无污染、无温室气体排放等优点,是推动能源技术革命的重要能源载体。电解水制氢技术是氢循环的关键环节,但常见电催化剂缓慢的载流子传输过程使得电解水制氢的效率低,难以满足应用需求。有鉴于此,团队提出在廉价CoO电催化剂中引入Co-V-O桥键,通过自旋翻转跳跃过程减小电荷传输能垒,提升电催化分解水性能,如图2所示。这种含有Co-V-O桥键的催化剂可生长在不同导电基底上,使得这类催化剂具有极高的实用价值。

   题为《杂多酸与MXene化学键合提升锂/钠高载量和赝电容存储特性》(Boosting the Pseudocapacitive and High  Mass-Loaded Lithium/Sodium Storage through Bonding Polyoxometalate Nanoparticles  on MXene Nanosheets)的成果发表在国际知名学术期刊Advanced Functional  Materials上,2018级博士研究生晁会霞为本文第一作者,胡涵教授和吴明铂教授为共同通讯作者。

图3.  杂多酸与MXene复合结构提升高载量下赝电容储锂/钠性能

   发展光电、风电等清洁电能是优化能源结构的重要手段,这些间歇性电能的有效利用亟需高性能电化学储能系统,特别是兼具高能量密度和高功率密度的储能系统。在这一趋势下,赝电容型负极材料的开发成为了储能材料重点关注的方向。杂多酸团簇具有接受和存储多个电子的能力,被称为“电子海绵”,是近年来广受关注的一种新型储锂/储钠材料。此外,杂多酸团簇颗粒结构高度可调,易于实现赝电容特性。然而,杂多酸电极材料仅能在低载量下实现高容量和高倍率;另外,杂多酸不稳定,在电化学储锂/钠过程中结构容易破坏。如何在高载量下发挥杂多酸结构可调、氧化还原特性丰富的优势,同时提高其稳定性仍充满挑战。新型碳材料团队充分分析了杂多酸的生长过程,提出在制备杂多酸的弱酸性条件下引入MXene诱导杂多酸前驱体离子的吸附、杂多酸成核以及可控生长;通过杂多酸与MXene之间的化学键合作用提升杂多酸的稳定性,利用MXene与杂多酸原位组装形成的复合结构协同电子传导与离子输运;基于杂多酸与MXene间协同作用实现了高载量下的赝电容储锂/钠(图3),所构筑的锂离子电容器和钠离子电容器均表现出优异的性能。

   题为《富本征缺陷多孔碳骨架对多硫化物吸附以及催化转化的增强机制》(Intrinsic Defect-Rich Hierarchically Porous  Carbon Architectures Enabling Enhanced Capture and Catalytic Conversion of  Polysulfides)的成果发表在纳米材料领域顶级期刊ACS  Nano上,2019级博士研究生关露为论文第一作者,胡涵教授和吴明铂教授为共同通讯作者。

图4.  富本征缺陷碳材料促进对多硫化物的吸附和催化转化

   因具有能量密度高、原料来源广泛等优点,锂硫电池被认为是最具发展前景的下一代高性能二次充电电池之一。但锂硫电池中的活性物质硫不导电、充放电过程体积变化剧烈,且存在严重穿梭效应,极大限制了锂硫电池的实际应用。针对锂硫电池应用过程中的瓶颈,新型碳材料团队开发了新型富本征缺陷碳材料,通过可控移除碳材料表面杂原子引入本征缺陷,调控碳材料表面电子结构。所构筑的富缺陷碳材料对多硫离子表现出非常高的吸附和催化转化特性,同时解决了上述三个问题,显著提升了锂硫电池的性能,如图4所示。

   鉴于在该领域取得的系列成果,新型碳材料团队应邀在国际顶级学术期刊Cell姊妹刊Matter上发表题为《激光辐射调控电极材料的能源存储和转化性能》(Laser  Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and  Conversion)综述文章(图5)。胡涵教授为本文第一作者,胡涵教授和吴明铂教授为共同通讯作者。

图5. 激光辐射调控电极材料结构及性能策略

   电极材料不同尺度的结构特征对其电化学性能均具有显著影响,如何实现在多个尺度下对电极材料进行可控调节是该领域关注的热点。由于可实现在低功耗下快速、精准以及高度可控的材料加工,激光辐照技术近年来被广泛用以制备和调控电极材料,并在缺陷可控引入、异质结构精准构筑以及一体化电极原位制备等方面展现出独特的优势。文章总结了激光辐照技术在电极材料制备及改性方面的最新进展,并特别强调其在缺陷、异质结以及一体化电极构筑等方面的独特优势。在对激光辐照技术原理进行简单介绍后,作者分析了激光辐照参数对材料结构的影响规律并总结了利用激光辅助技术调控纳米碳、金属以及化合物纳米晶等电极材料的研究进展和应用特性。最后,作者详细分析了该领域所面临的挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。

   新型碳材料团队是“重质油国家重点实验室”以及“全国石油和化工行业重质油碳质化高附加值利用重点实验室”的重要组成部分。团队围绕新能源高效转化和利用、重质油高附加值利用的重大需求,成功开发了系列高性能碳材料,研究成果已在储能、环保等领域实现了工业化应用,取得了显著的经济和社会效益。团队已承担国家及省部级项目50余项,发表SCI论文190余篇,撰写著作2部,授权发明专利50余项,获省部级科技奖励10项。2015年入选欧锦赛买球平台优秀创新团队,2018年团队被评为学校“青春建功新时代先进集体”,2020年获批学校“十佳研究生导师团队”。

   全文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202016888

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202008822

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202007636

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02294

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30234-4


【作者:淡天俊   审核:刘东】