多酸分子电催化剂的设计合成与高效析氢性能研究
批准号:
22071020
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
李阳光
依托单位:
学科分类:
团簇与纳米化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李阳光
中文摘要
探索高效低廉的电解水析氢(HER)催化剂是解决氢能绿色生产的关键难题。问题核心是如何提升催化剂的本征活性及活性位点数目。一条理想途径是在分子水平上实现催化材料的定向构建。多酸作为结构明确的无机金属氧簇,在电化学环境下具有同时富集质子和电子的特殊能力,是理想的分子催化剂设计平台。目前,多酸与铂、石墨碳、硫化钼簇等材料复合已展现出良好的HER性能。但是何种组成、结构及还原程度的多酸才能发挥作用?其催化机理与活性位点是什么?又如何保证多酸催化体系的稳定性?这些关键问题依然没有确切答案。因此,本课题拟将HER优势催化活性组分引入多酸分子体系,设计合成多酸基贵金属簇、过渡金属簇和硫化物簇三个系列化合物,并构建基于多酸团簇分子的电催化剂体系;利用上述分子模型揭示催化剂组成、结构、活性中心键连方式以及催化剂与载体界面相互作用等因素对HER性能的影响,为开发高效低廉产氢电催化剂提供有重要学科价值的新理论。
英文摘要
The key problem to solve the green production of hydrogen energy is to explore efficient and low-cost catalysts for hydrogen evolution reaction (HER) from electrolytic water. The central task is how to improve the intrinsic activity and the active sites of the target electrocatalysts. An ideal way is to realize the directional construction of catalytic materials at the molecular level. Polyoxometalates (POMs), as a kind of inorganic metal-oxo cluster compounds with clear structures, possess the special ability of enriching protons and electrons at the same time under electrochemical environment, which can be an ideal platform for molecular catalyst design. At present, POMs can form composite materials with platinum, graphite carbon, or molybdenum sulfide clusters, exhibiting good HER performance. However, what composition, structure and reducing degree of POMs truly play an important role? What is its catalytic mechanism and active site? And how to ensure the stability of POM-based electrocatalytic system? The above key questions remain unanswered. Therefore, this project plans to introduce HER dominant catalytic active components into the POM molecular system, synthesize three series of compounds, that is, POM-based noble metal clusters, transition metal clusters and sulfide clusters. Furthermore, we will attempt to construct POM-based single molecular electrocatalyst system. The above molecular model will be used to reveal the influence of catalyst composition, structure, active center bonding mode and catalyst/support interface on HER performance and its regulation mechanism. Finally, this project will provide a new theory with important scientific significance and subject value for the development of high efficient and low-cost hydrogen production electrocatalysts.
探索高效低廉的电解水析氢(HER)催化剂是解决氢能绿色生产的关键难题。问题核心是如何提升催化剂的本征活性及活性位点数目。一条理想途径是在分子水平上实现催化材料的定向构建。多酸作为结构明确的无机金属氧簇,在电化学环境下具有同时富集质子和电子的特殊能力,是理想的分子催化剂设计平台。因此,本项目拟将HER优势催化活性组分引入多酸分子体系,构建基于多酸团簇分子的电催化剂体系,揭示催化剂组成、结构、活性中心键连方式以及催化剂与载体界面相互作用等因素对HER性能的影响,为开发高效低廉产氢电催化剂提供有重要学科价值的新理论。本项目在实施过程中,通过设计结构明确的含铂多酸分子体系,明确揭示出金属氧化物载体和配位环境会直接影响铂催化位点的得电子能力与析氢路径,进而影响其析氢活性,为设计高活性铂基催化剂提供重要理论依据;利用多酸分子设计结构明确的单原子负载硫化钼体系,发现活性位点和硫化钼载体在HER过程中均经历结构动态演变,并能最终实现催化活性与结构稳定性的热力学平衡,为深入研究催化剂稳定性与结构演变提供了新方案;利用多酸分子设计结构明确的单原子负载硼化钼体系,发现过渡金属单原子在体系中并非催化位点,而是通过协同作用改变其周围钼元素电子结构,使载体元素钼成为活性位点,这为设计高稳定、高活性金属硼化物电催化剂提供新思路。基于上述研究积累,本项目设计获得一类全新的超细Ru团簇负载碳化硼电催化剂,在碱性电解水制氢和氯碱联产制氢等工况条件下获得当前最高活性和长期稳定性,考虑催化剂低成本优势,该研究结果可为发展工业化碱性电解水制氢催化剂提供全新方案。
利用多酸设计和制备新型高效非贵金属电解水制氢催化剂
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批准号:21671036
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项目类别:面上项目
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资助金额:70.0万元
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批准年份:2016
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负责人:李阳光
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依托单位:
基于多酸的手性分子复合材料构建及催化性能研究
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批准号:21271039
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项目类别:面上项目
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资助金额:85.0万元
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批准年份:2012
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负责人:李阳光
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依托单位:
以纳米尺寸的多酸建筑基元组装具有蛋白质尺寸的新型功能材料
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批准号:91027002
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:50.0万元
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批准年份:2010
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负责人:李阳光
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依托单位:
基于有机和无机富氧多齿配体的新型单分子磁体设计与合成
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批准号:20701005
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2007
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负责人:李阳光
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依托单位:
国内基金
海外基金