Keggin型多金属氧酸盐/碳纳米结构复合电催化体系的设计合成及其在高效水氧化反应中的应用

Energy crisis and environmental pollution have become the urgent problems need to solve for human. Electrolysis of water for hydrogen and oxygen is one of the ideal strategy to solve the problem. However, water oxidation is the limiting step in water splitting, is a 4e-/4H+ transfer with the final formation of an oxygen–oxygen bond, shows large overpotential and the side effects make the catalyst deactivation easily. Combining the excellent catalytic properties of keggin polyoxometalate (stable structure, fast reversible electron transfer, controllable oxidation reduction potential, etc.) with the advantages of carbon nanomaterials structure in catalysis (high stability, fast electron conduction, large specific surface area, etc.), the keggin polyoxometalate/carbon nanostructure composite electric-catalysis system can be designed and constructed. Through adjusting the anion/cation of polyoxometalate and the structure size/dimension of carbon nanomaterials, promoting the electron transfer ability, the control of catalytic activity of composite electric-catalysis system can be realized. The reaction mechanism of water oxidation reaction would be preliminary understanding. And further through covalent bonding surface modification methods, to improve the electronic conduction velocity, enhance conductivity, etc., to further enhance the catalytic activity of catalysts, the efficient water oxidation catalyst can be obtained.

电催化分解水产氢、产氧是解决能源危机和环境污染的理想策略之一。水氧化是分解水的控速步骤，涉及4e-/4H+转移以及O-O键形成的复杂过程，且催化剂易失活。本项目旨在结合keggin型多金属氧酸盐的催化特性(结构稳定、快速可逆多电子转移、可控的氧化还原电位等)与碳纳米材料结构在催化方面的优势（高稳定性，快的电子传导，大的比表面积等），设计构筑keggin型多金属氧酸盐/碳纳米结构复合电催化体系。系统地调节多酸阴阳离子种类和碳纳米材料的结构尺寸和维度，提升复合体系间电子转移能力，实现对复合电催化体系催化活性的调控。初步了解复合电催化体系在水氧化反应中的反应机理。进一步通过共价键表面修饰等手段，提高电子传导速度，增强导电性能等，来提高催化剂的电催化活性，得到高效的水氧化电催化剂。

利用催化剂分解水产氢、产氧是解决能源危机和环境污染的理想策略之一。电催化过程中，水氧化是分解水的控速步骤，涉及4e-/4H+转移以及O-O键形成的复杂过程，且催化剂易失活。电催化析氢反应是产氢的高效方法之一。本项目利用keggin型多金属氧酸盐或过渡金属化合物等材料的催化特性，与碳纳米材料结构在催化方面的优势相结合，设计构筑并得到多种碳基纳米复合催化体系（Ag8(mttz)4(H2O)[PWVWVI11O40]•H2O，Ag8(mttz)4(H2O)[PMoVMoVI11O40，锌碳基纳米材料，磷酸根和氨基表面改性的碳点，钴氮共掺杂碳结构，磷化钴/碳点复合物，硫化钼/碳点复合物，硫化钴/氮硫共掺杂碳点复合物，硼氮共掺杂碳纳米材料等）。利用所获得的碳基复合催化体系直接作为电催化剂，用于水氧化反应及析氢反应。系统地调节了多金属氧酸盐中阴阳离子种类、过渡金属化合物的种类与碳纳米材料的结构尺寸和维度，提升复合体系间电子转移能力，实现了对复合催化体系催化活性的调控。初步了解了复合电催化体系在水分解过程中的反应机理。复合催化体系通过协同作用来提高复合催化体系的催化活性，得到了高效的电催化剂。此外，利用碳基纳米材料优异的光电催化活性，拓展研究了碳基纳米复合催化体系的光解水性能。本项目获得了多种高效碳基纳米复合电催化剂及光催化剂，提出了准确的反应机理。我们的工作为高效催化剂在水分解过程中的实际应用提供了可行的视角和解决思路。