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钟文武教授在新型电催化材料研究中取得突破

作者:科研处    新闻来源:科研处    点击数:   更新时间:2020-09-09

近日,我校环境与能源材料研究所钟文武教授在老牌顶级化学期刊《Angewandte Chemie-International Edition》(IF12.959)发表题为“Coupled vacancy pairs in Ni-doped CoSe for improved electrocatalytic hydrogen production through topochemically deintercalation”的研究论文。钟文武教授为第一作者兼通讯作者,澳门皇家赌场为唯一通讯单位。
    氢气是一种理想的清洁能源,具有燃烧热值高、产物无污染的优点,有望取代化石燃料,解决日益严峻的环境和气候问题。电解水由于不受天气、时间等因素限制,具有广阔的应用前景。直接电解水的过电位很高,造成电能的浪费,需要催化剂辅助。设计开发新型的电催化剂材料,降低电解水的过电位,对国民经济、绿色能源等领域具有重要意义。
    在众多设计电催化剂的技术路线中,“缺陷工程”是重要手段之一,在高性能电催化剂的设计中起着至关重要的作用。而空位作为一种基础缺陷,对其研究具有重要的理论和实用价值。近日,钟文武教授创新地通过一种特殊的化学脱嵌方法,在四方相Ni掺杂CoSe中引入了耦合的阳离子空位对,提高了四方相CoSe电解水的活性。在原始的CoSe中,Se原子对质子的亲和力低,导致超过1.2 eV的自由能变化DG。高DG值意味着质子捕获困难。 Ni掺杂CoSeNi掺杂CoSe +单空位样品中,DG分别向下移动至1.000.47,但仍然不足。幸运的是,Ni杂原子和足够的Co空位的组合导致HER活性的优化,对于CoSe +耦合双空位样品,DG可以降级至-0.02 eV,接近理想值零。CoSe +耦合双空位样品的H-Se相互作用能为0.45 eV,与原始CoSe1.84 eV相比显着降低。Co2 +的最外层电子构型为3d7t2g5e2g2),具有高自旋态。因此,Co2 + d轨道中的对称电子不饱和,易于通过电子转移与•H自由基相互作用。同时,Ni2 +中的电子构型已饱和,表明它很难与化学自由基相互作用。当Co2 +Ni2 +耦合在一起时,由于Ni2 +对•H自由基的排斥作用,Co2 +和•H自由基之间的相互作用将得到增强,这可以促进H2的生成。
    该工作得到了国家科技部重点研究开发项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011378