可见光辅助增强三维贵金属-(Mo, W)S2@碳布电极对甲醇的电催化氧化

Currently, it is of important significance to study the direct methanol fuel cells (DMFC) and ultrathin 2D semiconductor nanomaterials (such as MoS2, WS2 etc) for the utilization and conversion of green clean energy. Utilized the inorganic semiconductor as a support to the noble metals electrocatalytic performance toward methanol oxidation, has gained great concerns. As known, two dimensional layered transition metal disulfides act as excellent electrocatalysts. Moreover, their semiconductor properties endow them with nice visible and near infrared optical properties. The main objective of this project focuses on investigating the enhanced electrocatalytic activity and stability of methanol oxidation on a new type noble metal-(Mo,W)S2@carbon cloth electrode under visible light irradiation. By adjusting the morphology, component etc. of the noble metal and (Mo,W)S2, we expect an interaction of photogenerated electron transfer between noble metal, (Mo,W)S2 nanostructures, and carbon colth electrode, which offer a fundamental on noble metal-(Mo,W)S2@carbon cloth electrode with enhanced photoelectric conversion and photoelectrocatalytic oxidation dynamics. The project design hopes to adhere to the catalytic activity of noble metal and the unique optics character of ultrathin 2D (Mo,W)S2, the synergetic effects of the photo- and electro- catalysis, for improving the catalytic performance and stability of methanol oxidation. Accomplishment of this project will provide valuable theoretic foundation and experimental support for constructing novel, stable and highly efficient visible-light-assisted DMFC.

直接甲醇燃料电池和超薄二维材料在绿色清洁能源的有效利用和转换研究中具有重要的理论和实际意义。利用无机半导体材料优异的光学性能，采用光电催化技术提高直接甲醇燃料电池中阳极催化剂对甲醇的电催化氧化性，逐渐受到广泛关注。二维层状硫族化合物不仅拥有优异的电催化性能，其半导体性质也赋予其良好的光学活性。本项目旨在以贵金属、二维(Mo,W)S2层状纳米材料和具有网状结构的碳布构筑三维贵金属-(Mo,W)S2@碳布电极，利用二维层状(Mo,W)S2在可见光具有显著的光学响应，结合电催化、光催化的协同效应，拟观察可见光照射下，该复合电极对甲醇电催化的活性和稳定性。预期所得电极在可见光照射下可以有效地增强对甲醇的电催化氧化性能。同时，研究光电协同作用对甲醇氧化的影响，探索提高复合催化剂催化活性和稳定性的关键因素，为构建结构与性能可调的可见光辅助增强直接甲醇燃料电池提供理论指导和试验支持。

该项目实施过程中，我们主要开展了以下研究工作：.（1）WS2/CC负载铂对乙二醇光电催化氧化性能的研究。将铂、WS2和碳布（CC）构筑Pt-WS2/CC电极，应用于乙二醇的光电催化。发现可见光照射下Pt，WS2和CC的协同效应使乙二醇电催化性能显著增强：1）CC优异的导电性能够使电子更容易传递到外电路；2）具有三维结构的WS2纳米片能够有效阻止Pt在其表面的堆积，形成更多催化活性位点；3）WS2纳米片具有优异的可见光响应性能，能够有效的将太阳光中的光能转化为光生电子，提高电极的催化性能；4）在光电催化乙二醇的过程中，光生空穴能够协同氧化电催化氧化过程中的乙二醇及其中间产物，从而有效提高电催化乙二醇的催化性能及抗CO毒化能力。.（2）Bi系半导体纳米复合材料负载铂的光电催化性能研究。具有超薄结构的Bi系纳米片不仅具有比表面积大，稳定性好的物理特性，其较窄的禁带能使得其具有优异的可见光响应性质。以其为载体负载铂催化剂构筑电极应用于醇类小分子的光电催化性能测试，发现可见光辅助能有效提高复合催化剂对醇类小分子的催化活性和稳定性：光催化和电催化的协同作用对提高催化剂催化性能和稳定性的至关重要。.（3）二维g-C3N4基复合材料负载铂对醇类小分子光电催化性能的研究。以具有超薄结构的g-C3N4纳米片为主体，通过掺杂其他纳米材料形成异质结，然后负载铂构筑电极应用于醇类光电催化性能测试。研究发现，与纯g-C3N4相比，异质结不仅能够为铂提供更多的活性位点，降低铂的使用率，其优异的可见光响应性能和物理稳定性，更高的光生电子-空穴对分离效率使其对醇类的催化性能和稳定性进一步提高。.通过该项目实施，我们对二维纳米材料负载的贵金属催化剂性能有了较清晰的认识，发现二维纳米材料对贵金属在光电化学催化性能方面有较大的提升作用，复合材料中诸元间的协同作用是性能提高的关键因素之一，且其在光电化学方面具有更宽广的潜在应用前景。