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储能与催化材料团队在电极材料研究方面取得系列进展
发布时间:2022-05-04 10:23:10点击数:字号:
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审核人 徐永涛

【本站讯】近日,我校储能与催化材料团队在团簇催化和稠环芳烃电极材料研究方面取得系列进展。研究成果分别发表在《自然通讯》《德国应用化学》《材料化学杂志》《碳》四个化学和材料类国际著名期刊。

在能源存储与转化过程中,电极材料发挥至关重要的作用,如何量体裁衣式设计电极材料是目前此领域面临的挑战之一。鉴于此,储能与催化材料团队围绕电化学能量存储与转化的关键科学问题开展了深入研究,旨在通过电极材料结构设计、电化学体系优化及系统机制分析,为开发高效的能源化工材料提供理论依据和实践借鉴。

在增强电催化氢氧化研究工作中,科研人员首次在氢氧化催化领域提出分子团簇催化剂概念。Pt资源的有限性与其优异电催化活性之间的矛盾日益突出,对Pt基电催化剂进行原子级精确设计以实现其最优化利用成为破局的关键。该研究通过优化还原体系及筛选配体,首次设计合成了原子级精度的Pt6纳米团簇,实现了对铂原子数量、表面化学的精准调控。Pt6团簇电催化剂成功应用于H2氧化催化反应,表现出超高的质量催化活性。此外,Pt6纳米团簇电催化剂也表现出传统Pt/C催化剂所不具备的良好CO耐受力。在此基础上,揭示了Pt6纳米团簇的高效催化活性和增强机制,发现团簇结构和三苯基膦配体能显著调节Pt原子的d带电子结构,进而增强电催化反应动力学和活性。

在新型可靠多环芳烃正极材料用于铝离子电池的研究中,科研人员首次发现了单层共轭结构有机分子的储铝活性及机制,打破了石墨正极储铝过程中多阶插层化合物形成对储铝容量的理论限制。目前最接近商业化应用的铝离子电池一般采用石墨类正极材料,该类材料通过AlCl4-进入石墨层间形成插层化合物来实现能量储存。全充电状态时,形成四阶石墨插层化合物,这导致石墨的理论容量偏低。受石墨大共轭π键的启发,具有单层共轭结构的多环芳烃有可能具有储铝活性,并打破多阶插层化合物形成对储铝容量的限制。该研究选用具有小共轭体系的苯及多环芳烃小分子作为研究对象,首次验证了该类小分子作为铝离子电池正极的可行性,发现了共轭芳烃小分子的储铝活性规律和机制,为寻找用于铝离子电池甚至其他储能器件的高性能有机电极材料开辟了新视野,也拓宽铝离子正极材料的类型。

针对金属铝负极的电化学腐蚀析氢问题,科研人员设计了杂化高浓电解液,利用TFSI离子的溶剂化效应降低电解液中游离水分子比例,密度泛函理论计算结果表明,电解液中的游离水分子比例能够降低97%,有效抑制了电化学腐蚀和析氢反应。

针对有机电解液中活性炭材料在高工作电压下表面存在的电解液分解现象,科研人员采用表面氟化钝化策略,增加电解液分解反应能垒,有效抑制了电解液分解副反应,进而提高碳材料的工作电压窗口。对商用活性炭电极进行表面氟钝化后,所制备有机体系双电层电容器的稳定电压窗口由2.7 V提高到3.3 V,并表现出超长的循环寿命(20000次循环后电容保持98.3%),同时能量密度提高1.5倍,达到43.3 Wh kg-1,优于此前报道的有机双电层电容器。

以上四项研究成果分别以《原子级Pt6纳米簇增强电催化氢氧化》(王小宁博士、赵联明副教授和李学进副教授为共同第一作者)、《用于铝离子电池的新型可靠多环芳烃正极材料》(孔冬青博士、蔡同辉博士后为共同第一作者)、《混合电解液抑制水系铝离子电池析氢和负极腐蚀》(我校李学进副教授和广东工业大学唐永超副教授为共同第一作者)、《碳表面钝化增强能量存储》(张誉博士、赵联明副教授为共同第一作者)为题,发表在《自然通讯》(Nat. Commun. 2022, 13, 1596)、《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 60, e202114681)、《材料化学杂志》(J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 4739-4748)、《碳》(Carbon, 2021, 185, 105-112)上。

邢伟教授领衔的储能与催化材料团队长期从事新能源材料领域的研究,近年来承担国家自然科学基金7项,山东省自然科学基金杰出青年基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目、中国石油重大超前储备项目、山东省泰山学者青年专家支持计划等课题20余项,发表学术论文100余篇,论文他引8000余次。研究成果获山东省自然科学一等奖2项,教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖1项。

相关链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29276-7

https://doi.org/10.1002/anie.202114681

https://doi.org/10.1039/D1TA10125K

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.028

【 作者:王小宁 刘玉丽 单宝来 来自:材料科学与工程学院 科技处  责任编辑:姜洪明 审核:徐永涛】

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