3d过渡金属氧化物超薄二维纳米结构的设计合成及电催化水氧化反应应用研究

The exploration of highly efficient and economical water oxidation catalysts has become more significant in light of the dwindling global energy crisis and environmental challenges. Ultrathin two-dimensional (2D) nanostructure materials can achieve the excellent intrinsic catalytic activities of the promising compounds because of their unique structural and electronic properties, providing the new opportunity to satisfy the demand for highly efficient water oxidation catalysts. The proposal is aimed at the purposeful design and synthesis of 3d transition metal oxides utrathin 2D nanostructures in mild solution-phase system and studying the key scientific problems of how to increase the reactivity and active sites as well as reveal the catalytic properties derived from their nanostructures in electrocatalytic water oxidation reaction. The ultrathin 2D nanostructures of 3d transition metal oxides will be prepared under solution-phase condition by selecting the proper precursor, reaction medium, coordination agent or surfactant, etc. It will be studied how to tune the reaction conditions to control the thickness, lateral size, exposed planes, composition as well as the surface atomic, defect and electronic structure of the 2D nanostructures, and further reveal the growth mechanism. The electrocatalytic water oxidation properties of the 2D nanostructures will be researched and the relationship between the structure and the electrocatalytic properties will be revealed for obtaining utrathin 2D nanostructures of 3d transition metal oxides with excellent electrocatalytic water oxidation properties and providing solid experimental and theoretical foundations for new electrocatalytic water oxidation catalysts with high quality and low price.

探索高效、经济的水氧化催化剂对减小全球能源危机和环境污染等方面具有重要的战略意义。超薄二维纳米结构材料因其独特的结构和电子特性可获得材料卓越的固有催化活性，有望为电催化水氧化反应提供高效催化剂。本项目拟在液相中设计合成3d过渡金属氧化物超薄二维纳米结构，针对如何增强3d过渡金属氧化物超薄二维纳米结构在电催化水氧化反应中的反应性和活性位以及揭示其结构与催化性能的关系等关键科学问题开展研究。本项目拟通过选择合适的反应前驱物、反应介质和配位剂或表面活性剂等在液相条件下制备3d过渡金属氧化物超薄二维纳米结构；研究如何调控材料的厚度、横向尺寸、暴露面、组成以及表面原子、缺陷和电子结构，并揭示生长机理；考察在电催化水氧化反应中的催化性能并探索结构与催化性能的关系，以期获得具有卓越电催化水氧化性能的3d过渡金属氧化物超薄二维纳米结构，为新型质优价廉电催化水氧化催化剂的研制提供坚实的实验基础和理论依据。

高效、经济的水氧化催化剂对减小全球能源危机和环境污染等方面具有重要的战略意义。具有独特结构和电子特性的超薄二维纳米结构材料可获得材料卓越的固有催化活性，有望为电催化水氧化反应提供高效催化剂。本项目围绕3d过渡金属氧化物超薄二维纳米结构的液相设计合成、在电催化水氧化反应中的反应性和活性位以及其结构与电催化性能的关系等科学问题，在液相中设计合成了适合于电催化水氧化反应应用的不同的3d过渡金属氧化物等超薄二维纳米结构。.探索了3d过渡金属氧化物等二维纳米结构合成的液相方法，设计制备了多种3d过渡金属氧化物等二维纳米结构。考察了不同的反应前驱物、反应介质（水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、氨水等）和配位剂（柠檬酸三钠、六亚甲基四胺等）对3d过渡金属氧化物等超薄二维纳米结构的厚度、横向尺寸、组成、表面原子、缺陷、电子结构的影响，揭示了生长机理。通过掺杂异质原子、耦合第二种组分等调控了二维结构的表界面增加活性位点、获得高活性位点，利用高导电性材料导电载体实现高效电子传输，调控材料结构浸润性实现高效传质，构筑结构、化学稳定的材料获得高稳定性。实现了3d过渡金属氧化物等超薄二维纳米结构在电催化水氧化反应上的高效应用，为新型质优价廉电催化水氧化反应催化剂的研制提供了坚实的实验基础和理论依据。