不含贵金属的固态双金属水氧化催化剂的结构设计与性能研究

Water splitting is a promising method to convert light/electric energy into chemical energy. The water splitting reaction can be divided into two half-reactions: the water oxidation reaction (WOR) and the water reduction reaction (WRR). Of the two half-reactions, WOR is inherently more difficult than WRR, and is the bottleneck in the process of water splitting. In this project, we aim to design cheap and efficient water oxidation catalysts. Specially, we plan to develop noble metal-free solid-state bimetallic water oxidation catalysts and to explore the new routes to synthesize these catalysts. In addition, we plan to study the influence of bimetallic synergy on material’s performance and the influence of catalytically active sites’ local structure on material’s performance, and thereby to establish the relationship between material’s microstructure and the catalytic activity. Finally, we want to create new research system of water oxidation catalysts and to promote the development of catalytic water splitting.

水裂解是实现光/电能到化学能转换的理想路径，这一反应过程可视为水还原和水氧化两个半反应的结合。与水还原半反应相比，水氧化半反应在本质上更难实现，是水裂解反应的瓶颈。本项目拟以设计合成廉价、高效的水氧化催化剂为目标，开发不含贵金属的固态双金属水氧化催化剂，探索高效水氧化催化剂合成新路线。研究双金属的协同效应对材料催化活性的影响，探索催化活性中心的存在状态和局部微环境对催化剂性能的影响，建立材料的微观结构与催化性能之间的联系。发展新的水氧化催化剂研究体系，推动水裂解技术的发展，为其实用化提供基础性数据。

水裂解是实现光/电能到化学能转换的理想路径，这一反应过程可视为水还原和水氧化两个半反应的结合。与水还原半反应相比，水氧化半反应在本质上更难实现，是水裂解反应的瓶颈。在本项目的支持下，我们以设计合成廉价、高效的双金属水氧化催化剂为目标，旨在借助双金属独特的协同效应，创造新型水氧化催化剂，探索高效水氧化催化剂合成新路线。我们已完成Ni-Fe、Ni-Mo和Ni-Co等多个双金属水氧化催化剂研究，并探讨了双金属协同对水氧化催化性质的影响。已发表SCI论文7篇（2篇Adv. Mater.、1篇Nano Energy、1篇Advanced Functional Materials、1篇Dalton Transactions、1篇Catalysis Science & Technology、1篇ChemCatChem），申请中国发明专利3项，其中1项已授权。项目期间取得的主要研究进展包括：1、亚纳米铜簇促进的高效碱性全水裂解催化剂。制备了新型亚纳米铜簇与准无定形金属硫化物复合的双功能电极材料，并证实亚纳米铜簇能够有效诱导材料表面电荷的重新分布，促进催化过程中水分子解离吸附，进而提升水裂解催化性能（Adv. Mater. 2017, 29, 1606200）。2、超快水氧化催化剂薄膜生长方法。开发了超快速（5 s）界面反应策略制备Ni-Fe-OH纳米片薄膜水氧化催化材料的方法，所得材料在1000 mA/cm2级电流密度条件下可高效、稳定地催化水氧化反应（Adv. Mater. 2017, 1700404）。3、双金属导电硫化物全水裂解电催化材料。制备了超薄纳米片组装的空心MoOx/Ni3S2电催化材料和超小NixCo3-xS4纳米粒子修饰的Ni3S2纳米片阵列材料。所得复合导电硫化物电极材料具有高效析氢和析氧双功能电催化性质（Nano Energy 2017, 35, 161-170; Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4839-4847）。4、高比表面积的双金属水氧化催化材料。制备了无定型Ni-Fe双金属氧化物/碳纤维复合水氧化催化剂、花状Ni-Fe层状双金属氢氧化物水氧化催化剂和核壳结构NiSe-NiOx水氧化催化剂，并探讨了这些材料的形貌和组成效应。