用于尿素载能分子电催化的金属硫属化合物超薄肖特基异质结设计

Electrocatalytic urea molecule conversion offers great potential for generating power by direct urea fuel cell and simultaneously alleviating water contamination, in which this catalyst system has been generally recognized to be a fascinating solution to simultaneously contribute the energy issues and environmental challenges. Note that urea electrooxidation is subjected to the intrinsically slow kinetics caused by the six-electron transfer process, which compels us to spare no effort into the design of highly efficient and affordable catalysts for widespread applications of this profound energy conversion model. In this project, we will focus on the most intrinsic issues, i.e. the activation of carbon-related bonds-during the catalytic process to realize urea molecule efficient conversion. Specifically, taking metallic 3d metal chalcogenides (such as CoS2, NiS，VS2 and so on) and semiconductive metal chalcogenides MoS2 as paradigm, conceptually Schottky heterojunctions electrocatalysts will be rationally designed for precisely manipulating the local charge distribution and realizing intelligently adsorb electrondonating/electron-drawing groups in urea molecule. As the project unfolds, we expect to provide material basis for direct urea fuel cells. It is anticipated that this study will broaden horizons and provide new dimensions in for exploring other carbon-based small molecules.

尿素分子的高效电催化转化能够同时实现燃料电池电能的输出以及废水的净化，是同步解决当今社会日益紧迫的能源与环境问题的一个有效策略。然而尿素分子的完全转化需要复杂的六电子转化过程，从而反应动力学比较呆滞，因此设计出具有高催化活性的尿素分子电催化剂是这种能源存储与转化方式利用的关键。本项目主要以尿素载能小分子高效转化为功能导向，着眼于尿素分子转化过程中涉碳化学键的活化过程，通过构建金属性3d金属硫属化合物（如CoS2，NiS，VS2等）与半导体金属硫属化合物（如MoS2）二维超薄肖特基异质结以精细调控无机固体电催化剂局域电荷分布，从而实现尿素分子中给电子基团(氨基)和吸电子基团(羰基)的同步活化。提出一个能高活性尿素转化的催化模型体系。为以尿素为载能分子的燃料电池提供电极材料，也为探索其它碳基小分子催化提供一个思路。

本项目以尿素载能小分子高效转化为功能导向，着眼于尿素分子转化过程中涉碳化学键的活化过程，通过构建二维超薄肖特基异质结以精细调控无机固体电催化局域电荷分布，从而实现尿素分子中给电子基团(氨基)和吸电子基团(羰基)的同步活化。项目实施过程中，我们实现了系列异质结的可控合成，如肖特基异质结NiS/NiFe LDH, 双金属性异质结Ni2P/CoOOH, (Fe, Ni)3P/NiCoP，半导体异质结SnO2/CuS以及金属性/小分子异质结TaS2/N2H4，并利用同步辐射以及球差电镜确定异质结构。利用DFT计算以及XPS，UPS等表征手段给出了不同类型异质结的电荷转移规律。特别地，发现在肖特基异质结NiS/NiFe LDH中，由于金属性NiS的功函数小于半导体的NiFe LDH，使得界面电荷由金属性转移到半导体NiFe LDH，从而获得高效的小分子转化性能（包括尿素在内的多个亲核小分子）。基于异质结界面优异的催化性能，搭建了工业应用的电催化装置。基于此，按照项目预期，实现了系列界面的合成、催化机理探究，初步完成项目标。在此过程中，申请者以（共同）通讯作者在Chem. Soc. Rev. (1), Angew. Chem. Int. Ed. (3), CCS Chem. (1), Adv. Mater. (1), Adv. Energy. Mater. (1) 和ACS Nano (1)等上发表论文14篇，授权专利一项，获得厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室开放基金，在中国化学会相关会议上做邀请报告7次，组织会议2次。