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XIn2S4(X=Co, Fe, Ni)纳米材料“多维度”构筑及外场调控析氢动力学研究

批准号:
12174183
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
刘力哲
依托单位:
学科分类:
表面界面与低维物理
结题年份:
2025
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
毛凯晖、扶瑶、诸昊罡、魏婷婷、毋起帆、徐作政、王丽阳、门学萍、王怡

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
设计价格低廉、性能优异的新型催化剂,理解水分子在催化剂表面反应动力学过程,用于实现水分子高效裂解一直是氢能源获取领域的核心研究任务。当前催化剂设计主要基于“电子层面”考虑,即:忽略自旋相关电荷转移及轨道相互作用。如果“独辟蹊径”,理解并利用自旋态和电子态耦合作用协同优化析氢限速步骤,就可以为催化剂提供更多设计空间。基于此考虑,本项目从“自旋维度”出发利用可控原子杂化策略构筑一系列具有不同磁结构特性XIn2S4 (X=Co, Fe, Ni)纳米材料,利用光、电、磁等外场对材料自旋量子态进行可逆操控,结合原位光谱技术追踪并厘清电子态、自旋态及其耦合态对水分子反应动力学的调控机制,精确无误确立自旋态量子调控与析氢效率之间的普适规律,为新型“自旋”催化剂设计和“去耦合”析氢动力学研究提供理论依据。
英文摘要
Designing new types of catalysts with low cost and excellent performance and understanding the reaction kinetics process of water molecules on the catalyst surface has been the major researching task for exploiting hydrogen energy. However, current researches mainly focus on microstructure strategies based on electronic regulation but ignore the contribution of spin-related charge transfer and orbital interaction to the performance of catalysts. If we can find a new strategy that we can understand and use the coupling effect of spin state and electronic state to accelerate the hydrogen evolution reaction, which will provide more designs for the catalyst. Based on “spin dimension” consideration, we will construct XIn2S4 (X=Co, Fe, Ni) nanostructures with different magnetic configuration and regulate the distribution of spin carrier via external light field, electric field and magnetic field. Associated with in-situ spectral technology, we will disclose the contribution of electronic states and spin sates to hydrogen evolution reaction, respectively. Finally, the universal law between the quantum control of spin states and the efficiency of hydrogen evolution is accurately established, which can be used as a useful guide for designing new spin catalysts and understanding kinetics of decoupled hydrogen evolution reaction.
将水裂解成高能量密度的氢气替代传统化石燃料,被认为是未来获得可持续能源供给的理想途径,因此设计价格低廉、性能优异的新型催化剂,理解水分子在催化剂表面反应动力学过程具有重要的科学意义和应用价值。本项目主要从催化剂自旋电子态构筑出发,利用光、电、磁等外场进行可逆量子态操控,结合原位光谱技术辨析水分子的裂解过程,为新型自旋催化剂设计和“去耦合”辨析水分子裂解动力学过程提供理了论依据。主要研究结果有:(1) 利用催化剂晶体对称性特有的原子轨道杂化理论精准操控自旋电子非对称占据,通过优化反应物与金属活性位点成键相互作用选择水分子裂解的最佳路径;(2)利用焦耳热脉冲装置诱导超快热场对催化剂进行选择性原子蒸发,使得自旋催化剂表面从共价键转变为半金属键,从载流子迁移效率、活性位点数量等多维度协同优化水裂解性能;(3)利用交变磁场产生的局域化的热效应实现自旋态的原位重构,利用原位拉曼光谱去耦合辨析自旋电子态与水分子裂解效率之间物理关联;(4)利用特定频率光场与阳离子交换反应相耦合,实现具有光腐蚀特性的特定位点附近Ir原子链/团簇的可控组装,通过团簇的动态解离和吸附使静态原子链可作为动态调控的活性中心,为动态活性位点的构建提供了新的研究思路;(5)在高温热场条件下,利用选择性氧化技术改变半反钙钛矿表面位点的空间对称性,通过金属活性位点之间的超交换相互作用实现自旋态与水裂解反应动力学调控;(6)通过微波介导的电声子耦合技术实现自旋电子态的可控弛豫,设计出能在1A/cm2工业级电流密度下稳定工作200小时以上的自旋催化剂,在实际的PEM电解槽产氢价格仅为2026年美国能源部设定价格的43%,展示出工业应用前景。此外,本项目还探索了大电流密度情况下催化剂活性和稳定性,为后续自旋催化剂实际工业应用提供了研究基础。
XIn2S4(X=Co, Fe, Ni)纳米材料“多维度”构筑及外场调控析氢动力学研究
  • 批准号:
    12174183
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    刘力哲
  • 依托单位:
金属氧化物半导体纳米材料氧缺陷类型相关的拉曼散射研究
  • 批准号:
    11404162
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    刘力哲
  • 依托单位:
国内基金
海外基金