應用成果

應用成果

合肥原位焦耳加熱裝置助力山東大學張進濤課題組AEM-界面電化學轉化助力高效能源轉換！

發布日期：2023-10-23 閱讀量：1073

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　　近日，山東大學張進濤課題組在國際頂尖期刊AEM(IF：29.368)上發表題為《Electrochemically Driven Interfacial Transformation For High-Performing Solar-To-Fuel Electrocatalytic Conversion》的文章。張老師在文章中明確提到使用我司的焦耳加熱裝置進行相關實驗，感謝張老師的大力支持。下面讓我們一起來看看文章吧！

　　文章速覽

　　【全文速覽】

　　本文運用焦耳熱處理方法對碳纖維表面進行功能化，充分發揮功能碳纖維與硫化鉍納米棒（Bi2S3）間的相互作用，調控電化學驅動界面反應過程制備三維鉍納米片網絡結構（BiNN-CFs），并揭示了界面電化學反應納米結構設計規律。該BiNN-CFs催化劑具有優異的二氧化碳還原催化性能，在超寬電位區間內完成了高的合成甲酸法拉第效率FEHCOOH（≈92%）和高達400 mA cm-2的電流密度。結合理論計算結果揭示，納米片邊緣豐富的晶格畸變能夠顯著調控p帶電子結構，優化對反應中間體的吸附過程，從而提高電催化性能。同時，耦合太陽能驅動的CO2-H2O全電池也表現出優異的能量轉換效率（13.3%）。界面電化學驅動的納米結構催化劑設計及電催化機理研究對于優化催化性能和促進清潔能源轉換具有重要研究意義。

　　【背景介紹】

　　傳統化石燃料的過度消耗，導致嚴重的能源危機和溫室氣體的大量排放。利用電化學方法將二氧化碳轉化為高價值化學品和有機燃料，不僅能夠降低大氣中二氧化碳的濃度，而且為能源的可持續發展提供了一個非常有前景的策略。

　　【研究出發點】

　　由于良好的催化活性和較弱的氫結合能力，金屬鉍受到眾多科研工作者的青睞。但是，由于鉍鹽易水解和金屬鉍易氧化的問題，直接還原方法制備鉍納米結構材料面臨較多困難，特別是氧化鉍的電催化貢獻仍存在爭議。通常，預合成的納米結構催化劑需要涂覆在導電集流體上，在涂覆過程中加入的導電碳或非導電聚合物粘合劑會導致納米結構的聚集，也影響催化活性中心的識別。因此，制備自支撐的金屬鉍納米結構并揭示其催化性能與機理具有重要研究意義。

　　【圖文解析】

　　要點一：材料制備與表征

　　首先，在碳纖維表面涂覆一層聚四氟乙烯，經過后續的焦耳熱方法處理實現了碳纖維的表面功能化（f-CFs）。隨后，將Bi2S3負載在f-CFs表面，在電化學驅動下使其原位轉變為三維鉍納米片網絡結構（BiNN-CFs）。如圖1,2所示，原位生成的鉍納米片厚度僅為4.8 nm，在其邊緣存在豐富的晶格扭曲，同時納米片相互交聯形成三維網絡結構。

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　　Figure 1.Interfacial transformation.a)The schematic illustration for the preparation of f-CFs.b)SEM image of f-CFs.c)XRD patterns and d)FTIR spectra of PTFE,CFs,and f-CFs.e)Energy band diagram at the interphase between f-CFs and Bi2S3.

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　　Figure 2.Morphology characterization.a)Schematic transformation process of Bi2S3 into BiNN on f-CFs.b)TEM image of Bi2S3.c)SEM,d)TEM,and e)HRTEM images of BiNN-CFs.f)The enlarged area and g)the corresponding Fourier-filtered images.h)AFM image and corresponding height profile of BiNN-CFs.

　　要點二：結構和組分的原位轉變

　　為了探究電化學轉變過程，我們利用半原位XRD，SEM，原位Raman等手段進行了結構和組分的追蹤。如圖3所示，在施加電位的最初幾秒，材料由硫化鉍迅速轉變為金屬鉍。隨后，在f-CFs表面經過相對緩慢的重構過程，組裝為相互交聯的鉍納米片結構。理論計算結果表明，f-CFs表面對金屬鉍具有較高的結合能，電荷離域誘導金屬鉍在f-CFs表面的重構生長過程。

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　　Figure 3.Composition evolution.a)Ex situ XRD patterns and b)In situ Raman spectra of Bi2S3 during the reduction process.c)Di?erential charge density of Bi on f-CFs.d)Topography evolution process of BiNN-CFs nanosheets.e)EPR spectra and f)Raman spectra of BiNN-CFs and Bi NPs.

　　要點三：電催化性能

　　在流動池中CO2RR性能測試表明，在-0.9V時，BiNN-CFs的甲酸法拉第效率FEHCOOH達到95.7%，在-0.5~-1.4 V的超寬電位區間內，FEHCOOH依然維持在92%以上。在-1.3 V時，電流密度高達400 mA cm-2。特別地，通過優化催化劑的載量，使其與太陽能電池的最大功率點匹配，實現了優異的太陽能到甲酸的轉化率13.8%和高的太陽能到電能的利用率55.6%。

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　　Figure 4.Electrocatalytic performance in a?ow cell.a)Schematic illustration of a?ow cell.b)LSV curves of BiNN-CFs in di?erent electrolytes.c)The partial current density for formate generation.d)Faradaic efficiency in a broad potential range.e)Comparison of Faradaic efficiency and current density in di?erent potentials applied with the reported catalysts.f)Stability test of BiNN-CFs at-0.5 and-1.4 V(vs RHE)in a?ow cell.

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　　Figure 5.Solar-to-fuel conversion.a)Schematic representation of the solar-driven CO2–H2O splitting device.b)I–V curve of the solar cell and the electrochemical cell.Solar-driven CO2 reduction current density and Faradaic efficiency at c)WP1 and d)WP2,respectively.e)I–V curves of a large area Si solar cell and the electrochemical cell,and f)the corresponding current density and Faradaic efficiency of the electrochemical cell.

　　要點四：反應機理研究

　　利用微分電化學質譜揭示CO2RR過程中產物與電位之間的關系，同時利用原位紅外進一步識別關鍵的反應中間體HCOO*。理論計算結果表明，具有晶格扭曲的Bi（012）對HCOO*具有更高的吸附能，能夠顯著降低反應的吉布斯自由能，促進CO2的吸附和活化，從而實現高效電還原CO2。

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　　Figure 6.In situ characterization and theoretical calculation.a)LSV curves at BiNN-CFs in the CO2-saturated 0.5 M KHCO3 with the corresponding mass fragment signals of online DEMS.b)Ion current responses of m/z=44 signal at di?erent test potentials.c)Time-dependent ATR-IR spectra for BiNN-CFs in the presence of CO2 or Ar.d)Reaction pathways of CO2RR.e)Calculated Gibbs free energy diagrams of CO2RR on Bi(012)with and without lattice distortion.f)Partial density of states for s,p,and d orbitals of the catalysts and s,p orbitals of the O atoms of HCOO*absorbed on the catalyst surface.

　　【總結與展望】

　　本文運用焦耳熱處理方法對碳纖維表面進行功能化，充分發揮Bi2S3與f-CFs表面間的相互作用，通過電化學驅動合成了功能碳纖維負載的三維鉍納米片（BiNN-CFs）。實驗和理論計算有機結合，揭示了原位界面反應過程中結構與形貌的轉變規律。作為電催化劑，BiNN-CFs表現出了優異的二氧化碳還原催化性能。理論模擬計算揭示結構重構的鉍納米片邊緣具有豐富的缺陷結構，能夠顯著調控p帶電子結構，從而優化反應中間體的吸附，實現高效的二氧化碳電催化還原。同時，集成的太陽能驅動的CO2-H2O電解池展現出了優異的能量轉化效率。該研究工作通過理解電化學調控界面轉變規律設計高效電催化劑，為進一步耦合太陽能實現高效清潔能源利用具有重要研究意義。

　　【論文信息】

　　參考文獻：

　　Wulan,B.,Zhao,L.,Tan,D.,Cao,X.,Ma,J.,Zhang,J.,Electrochemically Driven Interfacial Transformation For High-Performing Solar-To-Fuel Electrocatalytic Conversion.Adv.Energy Mater.2022,2103960.

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1002/aenm.202103960

　　課題組長簡介：

　　張進濤教授（博導）,山東大學化學與化工學院，物理化學電化學研究所,入選山東省“泰山學者”青年專家、海外高層次人才項目、省杰青。擔任電化學、Nano Research、eScience、Chinese Chemical Letters等期刊青年編委。該課題組圍繞界面電化學與原位表征技術中的關鍵科學問題，開展新型電極材料表界面功能化設計與電化學能源轉換機理方面的研究工作。至今已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Science Advances、Energy&Environmental Science等國內外期刊發表SCI論文90余篇，被引用11 800余次（H-index為47）。

　　研究方向：

　　以電化學方法和技術為基礎，對能源轉換界面電化學的基礎科學問題進行實驗探索與理論闡釋，理解闡明電極結構與性能間的構效關系，構建高效、清潔能源轉換器件。包括以下研究方向：

　　（1）能源轉換界面的理性設計與性能優化。結合原位光譜技術揭示復合材料的儲能機理，指導新型復合儲能材料的制備及其應用（如金屬空氣電池、鋰-碘電池、超級電容器等）；

　　（2）非貴金屬催化劑的創新性合成與應用。設計合成高催化活性的多功能催化劑，用于金屬空氣電池、電化學二氧化碳還原、燃料電池、電催化制氫產氧等。

　　課題組招收電化學、能源材料化學、界面電化學方向博士后和科研助理

　　崗位待遇：

　　1.根據研究背景及成果，年薪20-40萬，課題組將根據個人工作能力和科研成果給予科研獎勵；

　　注:（1）具有良好科研背景的博士后入站后可直接給予10萬元績效，優秀博士后出站可以留校任教；（2）如果對待遇有任何想法，非常歡迎提出你自己希望的薪資待遇；

　　2.提供優良的工作環境，享受五險一金，其它福利待遇參照正式職工；

　　3.作為負責人積極申請國家自然科學基金及省、市各級課題；

　　4.表現優異且有意在山東大學繼續發展者，可聘為助理研究員或副研究員。符合條件的可以申請山東大學齊魯青年學者等獲得相應人才補貼。

　　聯系方式：