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碳五元环拓扑缺陷的结构演化及电催化全解水机制研究

批准号:
22075223
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
木士春
依托单位:
学科分类:
能源材料化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
木士春

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
缺陷工程已成为近年来碳基催化剂的研究焦点。由于本征缺陷的不可或缺性,其对催化活性的影响不容忽视。碳本征缺陷由于价键结构的不同,通过优化该位点上的局域电子态可改善反应物种的吸附及转化,理论上应能降低反应活化能垒。针对碳拓扑缺陷,特别是碳本征五元环缺陷存在的结构演化及全解水电催化作用机制不明确等关键科学问题,本项目拟采用化学/物理裁剪法在碳框架中构筑五元环拓扑结构;利用球差矫正透射电子显微镜完成碳五元环拓扑缺陷几何构型的可视化观测,并通过综合物性分析及理论形成能计算结果,揭示其结构演化规律;探究富含五元环拓扑缺陷碳材料的全解水(HER/OER)电催化反应性,拓展其电催化功能及应用;最后,利用密度泛函理论对本征五元环缺陷的电子结构、吸附能及反应吉布斯自由能进行计算,分析其催化作用机制。研究成果将有助于人们更好地认识碳本征五元环拓扑缺陷的结构演化规律,并深入理解其在全解水中的反应活性及电催化机理。
英文摘要
Defect engineering has become the current research focus of carbon-based catalysts. Due to the indispensability of intrinsic defects, their effect on the catalytic activity cannot be ignored. Topological defects with different bonding structure can effectively optimize the local electronic state, improve the adsorption and conversion of reactive species, thus reducing the activation energy barrier theoratically. In view of the unclear structural evolution and electrocatalytic mechanism of overall water splitting for topological defects, especially intrinsic pentagon defects, this project intends to adopt a chemical/physical tailoring methodto construct pentagonal topological structures into the carbon framework. The visual observation of the geometric configuration is completed using spherical aberration-corrected transmission electron microscope, and the physical characteristic analysis and theoretical formation energy are used to infer the structural evolution rule of pentagon defects. It also explores the catalytic reactivity of pentagon defect-rich carbon nanomaterials in overall water splitting (HER/OER) to expand their catalytic functions. Finally, density functional theory is used to analyze the electronic structure, adsorption energy and Gibbs free energy of intrinsic pentagon defects in order to understand their catalytic mechanism. The research results will be helpful to understand the structural evolution law of the intrinsic pentagon defects, and their activity contribution and electrocatalytic mechanism in overall water splitting.
可持续清洁能源如氢能的应用是解决化石燃料过度消耗造成能源危机和环境问题的关键。但电解水制氢过程中发生的电化学反应受到了催化剂成本和性能的双重挑战。碳基纳米材料因具结构多样、可控性强、化学稳定性好、导电性高、活性表面积大、价格低廉等优点,逐渐成为贵金属催化剂的潜在替代品。由于纯碳材料本身电化学反应性较差,人们采用了许多方法来提高碳材料的电化学性能。目前,缺陷工程被认为是有效的方法。而且本征缺陷与金属原子之间的协同作用还可进一步优化材料的电子结构和吸附/解吸行为,使碳基催化剂在电催化方面可与贵金属催化剂相媲美。为此,本项目按计划开展相关研究工作,并较好地完成了所制定的研究目标:成功实现了五元环拓扑缺陷的定向构筑,揭示了五元环拓扑缺陷的析氢反应性和催化作用机制,并进一步探究了这种碳五元环拓扑缺陷对铁单原子配位环境的调制作用。在此研究基础上,进一步设计和构筑了一种由多尺度缺陷RuO2纳米单体(MD-RuO2-BN)组成的双连续纳米反应器,这种多尺度缺陷有效抑制了晶格氧的氧化和高价Ru的溶解,从而增强了RuO2耐久性;通过缺陷锚定效应构筑了具有对称性失配界面的Ru/RuxFe3-xO4催化剂,实现了高效的析氢催化;首次利用熔盐辅助法可控合成了Ru/RuS2和Os-OsSe2异质界面催化材料,展示了高的电解水性能。项目负责人作为通讯作者已在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、ACS Catalysis、Nano Energy、ACS Energy Letters 等期刊上发表高水平论文47篇(已标注);培养研究生23名,其中博士7名、硕士16名,均已完成预期研究目标。
具有阴、阳离子双活性位点的过渡金属化合物及析氢催化机制
  • 批准号:
    22379117
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    木士春
  • 依托单位:
电化学环境下金属催化剂对碳材料的助氧化作用研究
  • 批准号:
    51672204
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    木士春
  • 依托单位:
含氮碳纳米团簇对Pt基纳米金属粒子的锚定效应及电催化性能影响
  • 批准号:
    51372186
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    木士春
  • 依托单位:
质子导体高分子保护碳纳米管载Pt催化剂合成及稳定机制
  • 批准号:
    50972112
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    木士春
  • 依托单位:
国内基金
海外基金