双过渡金属硫属化物/一维碳纳米材料杂化结构的设计和协同电催化机制

It is of strategic significance to explore non-noble metal water splitting electrocatalyst with high activity. We propose to design and assemble bi-transition metal dichalcogenide (BTMCs)/one dimension carbon nanomaterial hybrids, and further investigate the synergistic electrocatalytic mechanism on hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). In the present investigations, core-shell, quasi-Janus and doping nanostructure of BMTCs are designed and assembled to produce contact region of the two phases, and the strong electron transfer in the contact region would significantly decrease the Gibbs free energy of the hydrogen atom and transition metal atom. Combined with the excellent chemical stability and high electronic conductivity of one dimension carbon nanomaterials, BTMCs/one dimension carbon nanomaterial hybrids are constructed. The present investigations aim to tailor the microstructure, especially the relationship and law between the microstructures and their synergetic catalytic performances of the BTMCs. The assembled hybrids can be directly employed as water splitting electrocatalytic materials, possessing high electrocatalytic activity, excellent stability and long term durability. The present investigation proposed the new strategy of synergistic electrocatalysis of HER and OER, providing a new development tendency of water splitting and being of high scientific and social significance.

探索和设计高活性非贵金属电解水催化材料具有重要战略意义，本项目拟开展双过渡金属硫属化物（BTMCs）的设计和结构调控，及其协同电催化析氢和析氧机制的研究。在一维碳材料中设计BTMCs的核壳、类双面和掺杂态等纳米结构来构建两相纳米界面，利用纳米界面区中过渡金属之间的强电子转移特性降低纳米结构中过渡金属原子与氢原子的Gibbs自由能，结合一维碳材料的高电子传输特性和稳定性，组装具有高析氢析氧协同催化活性的BTMCs/一维碳纳米材料杂化结构，研究并掌握结构调控以及协同析氢析氧的内在规律和协同电催化机制。该杂化结构可作为电极材料直接用于电解水制氢，兼具高析氢析氧催化活性、良好的稳定性和耐久性等优点。本研究提出了协同电催化析氢析氧的新思路，为电解水析氢催化材料提供了新的发展方向，具有重要的科学和社会意义。

探索非贵金属、高活性电水解制氢催化材料具有重要战略意义。对于具有较高电催化水解制氢活性的过渡金属硫属化物（TMCs），氢原子在其表面的Gibbs吸附自由能是决定催化剂活性的关键。按照研究内容和研究计划，在一维碳材料中设计和构建双过渡金属硫属化物、贵金属与过渡金属硫属化物合金、核壳和掺杂态等纳米结构，利用纳米界面区中过渡金属之间的强电子转移特性降低纳米结构中过渡金属原子与氢原子的Gibbs自由能，赋予其析氢和析氧协同催化作用，结合密度泛函理论揭示了杂化材料的结构调控以及协同析氢和析氧的内在规律和协同电催化机制。研究表明BTMCs/一维碳纳米材料杂化结构可作为电极材料可直接用做电解水制氢电极，具有优异的析氢、析氧催化活性，此外还具有良好的稳定性和耐久性。本研究提出了析氢析氧协同催化的新思路，提供了一种具有新型结构的析氢析氧催化材料和利用一维碳材料诱导生长TMCs纳米界面结构的新方法，为析氢和析氧催化材料提供了新的发展方向，具有重要的科学和社会意义。.在本项目资助下，研究成果发表标注SCI收录论文23篇，其中IF大于6的期刊7篇，申请中国发明专利8件，授权4件。培养硕士研究生12名，博士研究生1名，其中朱罕博士获得浙江省优秀博士论文。