金属非氧化物制氢催化剂的结构调控与性能优化

This project focuses on developing well-defined catalysts of transition-metal non-oxides with tunable structures and abundant properties for electrocatalytic hydrogen evolution. The key scientific issues for their design and application will be explored. Based on the crucial idea of controlled conversion of organic-inorganic nanohybrids being explored in our group, the precise synthetic method and forming mechanism of the key structures and active sites will be systematically investigated, especially on those associated with the crystal sizes, structures and facet distributions, d-state related electronic properties, the synergistic effects of multifunctional active-sites in hierarchical structures and interactions between supports and non-oxides. Furthermore, this project also carries out insightful study on the unique hydrogen production mechanism of well-tailored metal non-oxide catalysts, emphasizing the activities relying on nanostructure features. This will be remarkable to uncover the important factors and general principles for electrocatalytic hydrogen evolution over metal non-oxides. Owing to the systematic research on catalyst design and catalytic mechanism, this research will develop highly efficient catalysts and promote the relevant catalysis theory in energy field.

项目以结构与性质丰富可调的过渡金属非氧化物催化剂为设计对象，针对电催化制氢的反应特征，重点研究催化剂设计和调控中若干关键基础物理化学问题，发展兼具科学意义和应用价值的制氢新催化剂体系。将提出“基于有机-无机纳米杂化物设计过渡金属非氧化物催化剂”的策略，揭示非氧化物催化剂关键结构及其形成机制，特别是发展晶体结构、晶面取向、d电子性质、多组分过渡界面性质的调控原理，以及载体与非氧化物活性相的协同催化规律等，研发若干种具有自主知识产权的高效非氧化物催化剂及其可控合成方法；并基于有机—无机前驱体各组分亚纳米接触、结构和组成可控及反应均匀特点，制备模型催化剂，深入探讨催化剂结构与电催化活性的内在联系，揭示金属非氧化物区别于贵金属的催化性能特征和制氢机制，形成较为系统的新型电催化剂设计原则。项目对于深化认识非氧化物催化剂设计理论及涉氢催化反应机制均有普遍意义，具有重要的学术价值和良好的应用前景。

项目的目标在于针对电催化制氢反应的需求，通过发展金属非氧化物合成与设计的新策略，调控催化材料的关键结构与性质，发展高效、经济的非贵金属制催化剂，揭示催化作用机制。项目按计划执行，完成设定的目标。主要包括：(1)发展系统的“基于有机-无机纳米杂化物设计金属非氧化物催化剂”的合成策略，成功制备了一系列金属（如Mo、W、Ni、Co和Fe等）的碳、硫、氮、磷化物，并通过引入新的调控方法构筑高活性表面，明确了活性位形成机制。(2)提出了调控、优化表面d电子结构、多元活性位耦合催化的方法，发展一系列高活性、高稳定、pH适用范围广的非贵金属催化剂；深入理解表界面性质与催化性能的构效关系，认识作用机制。(3)项目组自主搭建了电化学-Raman、电化学-XRD等原位装置，实时跟踪研究电催化析氢过程中碳化物、硫化物等的表面演化，并通过理论计算，揭示工况下活性位的真实状态和作用原理。(4)利用碳化物、硫化物的类贵金属性质，拓展研究（电）催化加氢反应。例如，通过调变活性位的氢吸附能，促进吸附氢参与CO2还原、呋喃类羰基化合物加氢反应，从而提高电还原效率；通过碳化物等强化金属-载体相互作用，调控负载金属活性中心的化学状态及催化行为，提高热催化加氢反应的选择性。为进一步发展精细有机电催化，还探索发展了新型多孔材料。.项目工作已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Chem. Sci.等期刊上共发表标注论文69篇（ESI高被引论文7篇、IF>10论文18篇），撰写2部英文专著中2个章节，申请发明专利10件（授权4件）。成果被ChemistryView、SYNFACT等亮点报道，被多篇综述作为非贵金属催化剂的重要进展介绍。参加国内外重要学术会议25余人次，如国际催化会议、全国催化学术会议、全国电化学会议等，作特邀/口头报告20余次。高庆生教授入选广东省自然科学杰出青年基金、广东省特支计划科技创新青年拔尖人才等；王思浓博士获得上海市科委扬帆计划人才基金。培养研究生38人，其中8人获博士学位，10人获硕士学位。博士后5名，其中博士后出站3人。