催化剂微观结构及表面化学组成对大电流密度下的传质具有重要影响,就可以合成自支撑的二维过渡金属氧化物纳米片结构

图片 8

催化剂微观结构及表面化学组成对大电流密度下的传质具有重要影响,就可以合成自支撑的二维过渡金属氧化物纳米片结构

| 0 comments

清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队发表综述文章系统分析各类剥离制备二维材料的方法


清华新闻网6月27日电
6月17日,清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队在英国皇家化学学会旗下的《化学学会评论》期刊上在线发表长篇综述文章《二维材料分散液的制备及应用》。该文章从方法论的角度系统地分析比较了各类剥离制备二维材料的方法,讨论并总结了基于剥离的二维材料分散液进行宏观体组装的各类技术。在此基础上,文章探讨了二维材料分散液及组装体在电子、光电子、电催化和能源存储等领域的应用。最后,文章提出了二维材料在制备及应用上的挑战和重点研究方向。

二维材料相关研究近年来呈现出爆发式的增长趋势,这使得插层和剥离具有层状结构的块体材料以制备二维材料成为研究热点。相比于自下而上的制备方法,通过块体层状材料的剥离制备二维材料及其分散液的方法具有成本低、可大规模生产和与溶液加工兼容的优势。基于这种自上而下剥离的方法制备的二维材料及其分散液具有广阔的应用前景,包括电子、光电子、能源转换和储存、界面功能涂层等。

图片 1

二维材料分散液的制备、组装及其在各类器件中的应用

在过去几年中,自上而下剥离块体层状材料制备二维材料分散液研究取得了迅速的发展。然而,要实现二维材料分散液在各领域的实际应用,仍然存在巨大的挑战。有鉴于此,文章提出了以下几点该领域可能的重要研究方向和机遇:(1)
大规模制备二维材料的方法;(2) 独特二维材料的剥离;(3)
剥离制备的二维材料的异质结组装;(4) 非石墨烯二维材料的宏观体组装;(5)
二维材料用作模型电催化剂;(6)
金属性二维材料在能源转换和储存中的应用;(7)
应用导向二维材料的合理选择和剥离。

图片 2

图1. 剥离层状材料制备二维材料的方法总结

图片 3

图2. 二维材料分散液组装薄膜的方法总结

图片 4

图3. 二维材料电催化剂的重要性及提升催化性能的策略

该综述文章共同第一作者是清华-伯克利深圳学院博士后蔡兴科、2017级博士生罗雨婷,文章通讯作者为成会明院士和刘碧录研究员。

《化学学会评论》是英国皇家化学会的综述期刊,与美国化学会的《化学评论》和《化学研究评述》并称为国际化学化工领域三大综述期刊。

原文链接:

供稿:清华-伯克利深圳学院 编辑:华山 审核:襄楠

基于此,团队打破传统思维,利用化学腐蚀的原理,在室温条件且不添加任何化学试剂的情况下,仅利用过渡金属粉末和水反应,就可以合成自支撑的二维过渡金属氧化物纳米片结构。同时通过扫描电子显微镜、投射电子显微镜、X射线光谱仪、拉姆光谱仪等一系列表征手段揭示了二维层状过渡金属自组装的机制。此外,利用电化学工作站测试分析发现,通过该方法制备的自支撑的二维过渡金属氧化物具有非常好的氧还原性能和极高的稳定性,可以媲美目前报道的最好的非贵金属催化剂,甚至在高电流密度的情况下优于贵金属催化剂的性能。该方法提供了一种非常简便的适用于多种过渡金属的二维材料制备方法,为二维材料的大规模应用提供了新思路。上述工作得到了国家自然科学基金、深圳市基础研究项目、深港创新圈等项目支持。

清华-伯克利深圳学院刘碧录、邹小龙团队发文探讨二维材料大电流产氢电催化剂


清华新闻网1月18日电
1月17日,清华-伯克利深圳学院刘碧录、邹小龙、成会明团队在《自然·通讯》
期刊上在线发表了题为“调控结构及表面化学制备pH普适大电流产氢电催化剂”的研究论文。该研究通过设计和制备三种模型电催化剂,揭示了电催化剂微观结构及表面化学对大电流密度电解水产氢性能的影响。

研究发现,催化剂微观结构及表面化学组成对大电流密度下的传质具有重要影响,进而通过优化催化剂结构和表面化学组成,制备出在大电流密度下具有优异性能和稳定性的电催化剂。同时,结合实验和理论计算揭示了电化学环境会对催化剂表面化学产生影响,进而使其在不同的pH条件下都具有优异的性能。该工作对设计大电流密度电解水产氢催化剂具有重要指导意义。

图片 5

图1.
大电流密度电解水产氢催化剂设计策略:电催化剂微观结构和表面化学组成协作

当前,人类对化石能源的过度使用导致环境污染和能源短缺等问题日益突出,利用电解水方法制备氢气是可再生能源转化、进而解决能源危机的一种有效策略。电解水制氢技术目前最大的问题是高能耗。因此,开发和使用高效电催化剂、降低电解水过程中的电能消耗,是近年来电解水方向基础研究和工业应用的的重点课题。铂基催化剂是长期以来公认最有效的电解水产氢催化剂,但铂的储量小、价格高昂,限制了其大规模工业使用。近年来,非贵金属催化剂的研究发展迅速,但该类催化的性能依然难与铂基催化剂媲美。

图片 6

图2. 催化剂表面微观形貌和化学组成对大电流密度反应界面传质的影响

从实际应用的角度来讲,电解水产氢的大规模应用亟待解决的首要问题是发展适用于大电流密度的电催化剂,如电流密度大于200mA/cm2至1000mA/cm2。目前,对大电流密度电解水产氢催化剂的设计和机理的研究仍是一个重大挑战。

本文提出了适用于大电流密度电解水产氢催化剂的设计和制备新策略,所制备的具有微纳结构且表面化学成分优化的MoS2/Mo2C异质结微球电催化剂,在酸性体系下,达到1000mA/cm2的电流密度所需过电压仅为227
mV;在碱性体系下,达到1000
mA/cm2的电流密度所需过电压仅为220mV;此外,该催化剂在中性体系下亦具有良好的性能,表现出不依赖于电解液pH值的优异电解水性能。

图片 7

图3. 电化学环境与电催化剂表面化学相互作用对催化剂本征反应动力学的影响

进一步测试表明该催化剂在大电流密度下具有良好的稳定性,表现出很好的实用前景。实验结合理论研究揭示了该催化剂具有优异性能的原因。其一,催化剂的微纳结构设计有利于大电流密度下的快速传质。其二,在不同电化学环境下,催化剂表面具有不同的氧修饰化学成分,使得该催化剂在各种pH环境下均表现出优异的性能。以上研究结果对理解电催化分解水过程中的基础科学问题和高效电解水催化剂的设计具有重要指导意义,相关设计策略有望进一步拓展至其他材料体系和电催化反应中。

该论文第一作者为清华-伯克利深圳学院2017级博士生罗雨婷,论文通讯作者为刘碧录研究员和邹小龙研究员。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市经信委、科创委和发改委等部门支持。

原文链接:

供稿:清华-伯克利深圳学院 编辑:李华山 审核:周襄楠

△自支撑二维过渡金属氧化物纳米结构的合成示意图。左下:自支撑二维Co3O4的结构表征。右下:自支撑二维Co3O4的电催化性能

图片 8

二维过渡金属氧化物具有高比表面积、高稳定性、活性位点多等优势,近年来受到广泛关注,在能源催化领域展现出巨大的应用价值。但是传统的“自上而下”或者“自下而上”的制备方法都过于复杂,需要大量的化学试剂和大量的热能,既不经济也不环保,无法真正实现大规模制备,限制了二维过渡金属氧化物的工业应用。

近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所材料界面研究中心在二维过渡金属氧化物制备领域取得重要进展。相关成果以”Facile
Mass Production of Self-Supported Two-Dimensional Transitional Metal
Oxides for Catalytical Applications”为题发表在化学领域重要期刊Chemical
Communications
(化学通讯)上。论文第一作者是康翼鸿博士,通讯作者是喻学锋研究员。论文合作者还包括中心Seeram
Ramakrishna院士和朱剑豪院士等。

相关文章

发表评论

Required fields are marked *.


网站地图xml地图