双位点钴基氧化物定向构筑及其耦合增强电催化析氧性能研究
批准号:
52101258
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王劲松
依托单位:
学科分类:
金属能源与环境材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王劲松
中文摘要
电催化析氧反应(OER)是决定电解水、二氧化碳还原等多种能源转换效率的关键反应,但OER多步反应涉及的中间基团(*OH/*O/*OOH)吸附能线性相关导致过电势较高。目前研究局限于调控限速步骤对应的基团吸附能,而有关同步优化多个基团吸脱附的研究鲜有报道。本项目选取具有应用前景的钴基氧化物(CoOx)为研究对象,提出采用金属元素掺杂调控电子结构以优化*OH/*O吸附能,同时掺入非金属作为质子受体稳定*OOH吸附的研究思路,实现CoOx中双位点构筑,协同优化多个基团吸附能以降低OER过电势,并利用电解水等探针反应表征所制备催化剂的性能。结合微观动力学模型、DFT计算和原位表征等技术,探究电子结构与吸附能的构效关系,理清双位点在OER多步反应中互利耦合的物理图像,阐明打破吸附能线性关系的设计原则,实现双位点的靶向调控和大电流密度下催化材料理性构建,为高效、稳定析氧催化剂设计及其商业应用夯实基础。
英文摘要
Oxygen evolution reaction (OER) is a vital reaction in many technologies for energy conversion, such as water splitting and CO2 electroreduction. However, the linear free energy scaling relationships involving intermediates of *OH, *O and *OOH have restricted OER catalytic activity. The current researchs have been devoted to regulating intermediates adsorption energy of rate-determining step, and few researchs focus on the synergetic optimization for *OH, *O, and *OOH adsorption. In this project, we take cobalt-based oxides (CoOx) as the research object, the electron states and *OH/*O adsorption energy are modulated by transition metal doping. Meanwhile, the proton acceptor is introduced by nonmetal elements doping to decrease the *OOH adsorption energy, which was used to construct dual active sites and optimize synchronously *OH, *O, and *OOH adsorption energy, the electrocatalytic activity is characterized by probe reaction such as water splitting. Combining the microstructure kinetic, DFT resuts and in-situ characterization techniques to establish the correlation between intrinsic electronic structure and *OH/*O adsorption energy. Moreover, the synergistic catalytic mechanism and design rules of dual-sites are revealed, and the modified CoOx catalysts by dual-sites are prepared and applied at high current density. This project can provides technical and theoretical support for the high efficiency and stable OER catalysts and their commercial application.
定向调控析氧反应(OER)中间基团(*OH/*O/*OOH)的吸附能及打破吸附能之间的线型标度关系是设计高效OER电催化剂的关键。本项目首先结合第一性原理计算和探针实验研究了不同元素掺杂对催化剂电子状态和催化活性的影响,建立电子结构和基团吸附能对应关系。采用传统的d带中心模型来描述中间基团(*OH/*O)的吸附能,同时考虑多位点协同作用,提出一种改进的d带中心模型来描述多元合金体系对*H吸附能的影响。“电子结构-基团吸附能”构效关系的建立为设计和筛选高效电催化剂提供了理论参考。接着,采用金属/非金属掺杂、耦合双相界面等策略构建多活性位点来打破吸附能线型关系的约束。其中金属元素掺杂,例如Fe,Cu等可优化Co位点的电子结构和*OH/*O中间基团的吸附能,使催化活性趋于火山图顶端;而引入的非金属元素如N和硫酸根(SO42-)可提供质子受体,降低*OOH吸附能,从而打破线型关系约束,Fe和N共掺杂的CoOOH过电势降低至0.35V。此外,引入亲电性的CeO2构建CeO2/Fe-Co(OH)2、CeO2/Cu-Co(OH)2等异质结构,CeO2具有较低的费米能级能促进高价态Co的形成,提高Co-O共价性,从而激活晶格氧氧化机制。而晶格氧机制可促进O-O直接耦合以避开*OOH的形成,有效打破线型关系的约束,从而展现出优异的电催化活性。其中,CeO2/Fe-Co(OH)2在电流密度10mA/cm2所需过电势低至189mV,而且表现出优异的稳定性,在1000mA/cm2级电流密度下能高效、稳定运行1600小时,优异大部分已报道的电催化剂。本项目工作已基本完成,实现采用金属/非金属掺杂、界面工程等构建多位点结构以协同优化*OH/*O吸附能和反应路径,打破传统OER机制限制,同时理清多位点在OER多步反应中互利耦合的物理图像和设计原则,实现大电流密度下高效、稳定电催化剂的理性构建,有望推进可再生能源制氢的工业化应用。
AEM-LOM型CoOx/MOx异质界面定向构筑及其耦合增强电催化析氧活性和稳定性机制研究
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批准号:52461042
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:32.00万元
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批准年份:2024
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负责人:王劲松
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依托单位:
国内基金
海外基金