电化学能源转换电极材料的微结构调控和性能研究

　　随着社会的发展和进步，能源短缺和化石燃料消耗所带来的环境污染问题日益突出，因此，清洁的可再生能源受到很大的关注。然而，由于风能、太阳能等可再生能源的间歇性特点导致其不能连续性的提供清洁能源，阻碍了其实际的应用。开发高性能的能源存储和转换装置被认为是一种充分利用可再生能源和解决相关的环境问题的有效途径。目前，虽然这些能源存储与转换装置取得了很大的进展。但是依然存在着一些问题，能量密度、功率密度、转化效率等需要进一步提高来满足不断增长的实际需求。通常认为，电极材料在对提高电化学能源装置的性能中扮演着决定性的角色。北京理工大学一个研究小组对电化学能源转换电极材料微结构和性能之间的构效关系进行了研究。 

　　 该研究小组利用冷冻干燥结合高温碳化制备了Mo2C/C的复合材料，由于碳化钼和碳之间的强的耦合作用会导致电子迁移现象。研究小组利用北京同步辐射装置（BSRF）证实电子可以从碳化钼转移到碳，从而降低碳化钼的d电子轨道来促进电催化析氢过程中间体氢自由基的脱附，最终促进电催化析氢的活性 (图1)。相关研究成果发表在Journal of Material Chemistry A 5(2017), 20228–20238。 

　　图1 (a)碳化钼的同步辐射精细吸收谱和(b)对应的半波能量和钼氧化态之间的关系；(c) 碳化钼催化剂电催化析氢极化曲线 。 

　　该研究小组同样利用北京同步辐射装置（BSRF）的X射线吸收谱技术研究了Co0.85Se@NC材料。由于硒化钴和氮掺杂的碳之间的强的耦合作用，一方面促进电子从硒化钴转移到氮掺杂的碳载体上，使硒化钴价态相对升高，从而有利于电化学吸附氢氧根促进电催化析氧反应的活性；另一方面由于钴原子和氮的结合可以构建Co-Nx活性位点促进氧还原反应的活性，从而实现催化剂的多功能化。相关研究成果发表在Journal of Material Chemistry A 5(2017), 7001–7014。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）该研究小组还研究了硒化钼量子点和硒化钼纳米片之间的异维杂化作用对电催化析氢和光热治疗等方面的影响，研究成果发表在Nano Research 10 (2017), 2667–2682。 

　　发表文章： 

　　1. Tao Meng, Lirong Zheng, Jinwen Qin, Di Zhao and Minhua Cao* A three-dimensional hierarchically porous Mo2C architecture: salt-template synthesis of a robust electrocatalyst and anode material towards the hydrogen evolution reaction and lithium storages. Journal of Material Chemistry A 5(2017), 20228–20238. 

　　2. Tao Meng, Jinwen Qin, Shuguang Wang, Di Zhao, Baoguang Mao and Minhua Cao* In situ coupling of Co0.85Se and N-doped carbon via one-step selenization of metal-organic frameworks as a trifunctional catalyst for overall water splitting and Zn-air batteries. Journal of Material Chemistry A 5(2017), 7001–7014. 

　　3. Baoguang Mao, Tao Bao, Jie Yu, Lirong Zheng, Jinwen Qin, Wenyan Yin* and Minhua Cao* One-pot synthesis of MoSe2 hetero-dimensional hybrid self-assembled by nanodots and nanosheets for electrocatalytic hydrogen evolution and photothermal therapy. Nano Research 10 (2017), 2667–2682.