可见光辅助增强的复合材料电极的电催化氧化活性和稳定性研究

Improving the electrocatalytic performance of electrode materials is one of the key technical problems to be solved urgently for the commercialization of fuel cells. This project mainly focuses on constructing two class of noble metal / semiconductor / new carbon materials and well-defined surface plasmon resonance (SPR)-induced noble metal / new carbon composite electrode materials as well as manipulating the optical properties of semiconductors and plasmonic metals to study their electrocatalytic performances towards small organic molecules oxidation reaction.The innovation and feature lie in using visible light assisted and enhanced electrocatalytic properties of the electrode for fuel cells, to develop a novel composite electrode of visible light response, to explore the mechanism of the enhanced electrocatalytic activity and stability under visible light, so as to provide a new theoretical guidance and experimental support for the development of new efficient and stable photo-electrocatalysts. These targets can be achieved through the implementation of the project: 1.develop 2-4 kinds of advanced，highly efficient and stable photo-electrocatalysts; 2.reveal the nature of the photo-electric synergistic effect between noble metals and semiconductor materials, noble metals with plasma resonance effect and catalytic metals; 3.provide a new scientific platform for the construction of visible light assisted electrocatalytic oxidation system and a new path for the development of advanced and efficient catalysts.

提高电极材料的电催化性能是燃料电池商业化亟待解决的关键技术难题之一。本项目旨在构筑可见光响应的贵金属/半导体/新型碳材料和具有表面等离子共振效应的贵金属/新型碳材料两类复合电极材料，以电催化氧化有机小分子为试验对象，通过调节半导体材料和等离子共振效应贵金属的可见光光学活性来研究复合材料的光电催化性能。创新性、特色性之处在于采用可见光辅助并增强燃料电池电极电催化性能，研制具有可见光响应的新型复合电极，探索其在可见光光照下增强电催化活性和稳定性的机制，从而为获得新型、高效、稳定的光电催化剂提供新的理论指导和实验支持。通过该项目的实施达到以下目的：1.发展2-4种具有先进、高效、稳定的光电催化剂；2.揭示贵金属与半导体材料、等离子共振效应的贵金属与催化金属之间光电协同作用的本质；3.构筑可见光辅助电催化氧化体系提供新的科学平台，为研发先进高效的催化剂提供新的路径。

该项目的实施，我们主要完成了三个方面的研究工作：.(1) 可见光辅助增强的贵金属纳米催化剂的电催化氧化性能研究。表面等离子体共振(SPR)激发可以诱导热电子和空穴的转移、电磁场增强、晶格加热、共振能量转移和散射，进而促进醇类的电催化反应。三维超薄莲花状PdCu纳米片（NSs）中Cu具有很好的SPR效应，在可见光辅助下，能够大大提高乙二醇氧化反应(EGOR)的电催化效率。值得注意的是，在可见光照射下， PdCu-2 NSs对EGOR表现出最高的质量活性(7547 mA mg−1)，比无光照条件下增强1.3倍，也优于Pd NSs和商用Pd/C催化剂。EGOR的增强主要是由于Cu的SPR促进了Cu向Pd的电子转移，改变了Pd的电子结构，促进了电化学反应中的电荷传输，从而增强了Pd的电催化能力。.(2) 中空纳米材料的可控合成及其电催化水分解性能研究。中空材料具有较大的表面积，并且高度开放的中空结构能够赋予其丰富的活性边缘和大量的表面活性位点。通过简单的溶解-再生长和离子交换法合成了一种具有丰富界面的三维CoMoOx/CoMoSx/CoSx（CoMoOS）纳米盒电催化剂。该三维CoMoOS纳米盒催化剂丰富的界面不仅为反应过程中的电子传递提供了大量的通道，而且还极大地优化了催化剂对反应中间体的结合能，其大量表面活性位点和多组分协同效应也进一步提升其电催化OER性能。.(3) 基于功能化纳米复合材料设计构筑了一系列电化学和光致电化学传感器，实现了超灵敏且准确的生物标志物检测。合成了异质结半导体3D ZnCdS/ZnIn2S4中空多面体，并将其作为多功能信号放大基质，成功开发了用于牛血红蛋白（BHb）检测的EC-PEC双模式传感器，对BHb的检测线性范围为10-19 mg·mL-1 ~ 10-1 mg·mL-1，检测限为6.5 × 10-20 mg·mL-1，为生物标志物临床分析、筛选和生物分析方面提供了一条新的途径。.该项目实施，对可见光辅助增强的电催化剂性能有了比较清晰的认识，在可见光辅助下，表面等离子体共振效应对贵金属纳米材料在电催化和光电化学催化性能方面有较大的提升作用。功能化纳米复合材料还被应用于电化学传感器，且其在电催化水分解方面也具有广阔的应用前景。