郭晓辉教授课题组在“界面工程调控电催化”研究方面取得新进展

 
  当今能源危机和环境污染引起了全球高度关注,开发绿色洁净能源(材料)成为全世界高度关注的热点课题。目前商业化的催化剂具有较高的催化活性,但是其高成本限制了其大规模应用。因此,通过有效的合成策略来探索低成本、高性能的新型电催化剂,就显得非常关键。文献报道的工作表明:界面工程已经成为改善电催化活性、选择性和稳定性的最有效方法之一。传统构筑异质界面采用外延生长方法,构建过程中需要精确控制衬底的晶体面和外延界面,此过程工序繁杂、产量低,成为工业生产中的瓶颈。

  近日,西北大学化材学院郭晓辉教授课题组开发了一种简单可控固态合成策略,来构建W2N/WC异质结构的界面工程,为构筑低成本,高效能的电化学能源设备提供了可行的研究思路和解决方案。这种新型的W2N / WC异质结构电催化剂(如图1,2所示)具有较高ORR,OER和HER的电催化性能,基于该催化剂构建的全解水装置在 10 mA cm-2测试条件下同时进行析氢和析氧工作24小时,其电催化性能基本保持不变,此外,其组装的Zn-空气电池的比能量和功率密度分别达到749 mAh gZn−1和172 mW cm-2,这些实验结果所展现出来的性能优于目前商业化催化剂(如图3所示)。该项研究成果以题为“Interfacial Engineering of W2N/WC Heterostructures Derived from Solid-State Synthesis: A Highly Efficient Trifunctional Electrocatalyst for ORR, OER, and HER”在线发表于Advanced Materials(影响因子25.8)。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905679

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图1(a)W2N(111)和WC(100)异质界面;(b)W2N(111)和WC(100)界面电荷分布;(c)和(d)W2N/WC异质结构的态密度和成键分析




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图2:WO3/W2N,W2N and W2N/WC合成技术路线;(b-g)WO3/W2N,W2N和W2N/WC模型及TEM电镜图



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图3.W2N/WC异质结构组装的锌/空电池性能。(a)Zn-Air电池的极化和功率密度曲线。(b)充电和放电极化曲线,催化剂负载量为0.4mg/cm2。(c)能量密度,(d)恒电流放电-电荷循环曲线,电流密度为5 mA/cm2。(d)开路电压为1.362 V的液体电池和(e)由两个液体锌空气电池供电的LED照片(f)W2N/WC全水解的图片(g)和h全解水的极化曲线和(i)全水解装置的稳定性曲线。



  该论文第一作者为西北大学2017级材料化学专业博士生刁金香。本项研究得到了中国科技大学、韩国国立釜山大学、日本国立材料研究院和合肥国家同步辐射国家实验室等的大力支持。
  
 
 
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