二维非贵金属双功能电解水催化剂的设计合成与机理研究

Hydrogen evolution from electrocatalytic water splitting is considered as one of the most promising hydrogen production technologies. Controllable synthesis of highly-active non-precious catalysts is a hot and significant topic in this field. Two-dimensional (2D) materials have unique structure and surface characteristics. Based on our previous work, we propose the controllable synthesis of 2D non-precious bifunctional electrocatalysts for water splitting. 2D metal organic frameworks (MOFs) materials containing single and double metal centers will be synthesized, which then will be converted into 2D non-precious compound /carbon nanocomposite materials through carbonization, phosphorization, sulfurization and phosphosulfurization; transition metal compounds will be in situ grown on 2D Fe, Ni, Co, Mo nanosheets; transition metal chalcogenides (TMDs) layered bulk materials will be synthesized through solvothermal method and solid phase synthesis, which then will be converted into 2D TMDs materials by liquid phase exfoliation method. Combined with advanced characterization technologies and theoretical simulation, the structure and composition of the catalyst before and after reaction will be systematically studied, and the catalytic mechanism of 2D non-precious electrocatalysts will be regularly elucidated. The research of this project will help further develop the new frontier research direction of "non-precious metal bifunctional electrocatalysts for water splitting", and provide reliable scientific basis for further design and synthesis of efficient 2D non-precious bifunctional electrocatalysts for water splitting.

电催化分解水产氢被认为是目前最有前景的制氢技术之一，具有高催化活性的非贵金属催化剂的可控合成是该领域的研究热点和重点。二维（2D）材料具有独特的结构和表面特性，基于我们的前期工作，本项目提出可控合成用于分解水的2D非贵金属双功能电催化剂。拟设计合成单金属及双金属2D金属有机框架结构材料（MOFs），通过碳化、磷化、硫化以及磷硫化来制备2D非贵金属化合物/碳纳米复合材料；以2D Fe、Ni、Co、Mo等纳米片为基底原位生长过渡金属化合物；采用溶剂热法或固相合成法制备过渡金属硫属化合物层状块体材料，通过液相剥离法制备2D过渡金属硫属化合物。结合先进表征技术和理论模拟系统研究反应前后催化剂的结构和组成，解析2D非贵金属电催化剂的催化机理。本项目的研究有助于进一步发展“非贵金属双功能电解水催化剂”这一重点前沿研究方向，为设计合成高效的2D非贵金属双功能电解水催化剂提供可靠的科学依据。

二维（2D）电催化剂具有比表面积大、电子转移效率高、活性位点丰富等优点。因此，可控合成具有高催化活性的非贵金属2D双功能电催化剂对推动电解水领域的发展具有重要意义。本项目采用室温共沉淀方法制备了2D Co基双金属有机框架（MOFs），实验表明第二金属掺杂可以调节金属位点的电子结构，是增强MOFs基OER催化剂的有效策略。本项目对一系列2D MOFs进行功能化修饰以提高其本征催化活性。通过对2D CoNi-MOFs前驱体进行磷酸化过程构筑了双金属偏磷酸盐纳米阵列，实验与模拟计算表明形貌的完整性可以引导离子电流的均匀分布，提供更多的催化活性位点；通过低温硫化 2D CoZn-MOFs 得到了 Co(Zn)S2，原位表征证实浸出阴离子吸附在重构层表面可以增强OER性能；采用阴离子刻蚀和化学气相沉积法构筑了CoS2-V2O5 复合纳米材料，提出抑制CoS2表面氧化可以提升HER性能。并且，利用电沉积法合成了2D FeOOH/Ni(OH)2和Ru-NiFe2O4催化剂，实验表明界面工程与掺杂可以有效提升电催化活性。本项目不仅利用多种合成方法来构筑2D非贵金属双功能电催化剂，而且结合先进表征技术和理论模拟系统研究了催化剂反应过程的结构变化，结构-性能的构效关系以及催化机理。本项目执行过程中，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. 、ACS Catal. 等期刊发表论文43篇，培养博士后1人（已出站），毕业博士生7人，毕业硕士生17人，相关成果获得黑龙江省自然科学一等奖3项，负责人入选科睿唯安2022年度全球“高被引科学家”。