类铂催化材料设计合成及其在新型光电转换器件中催化机理和性能影响研究

In recent years, nano-scaled platinum (Pt)-like catalytic materials have attracted considerable attention because they are one of the key substitutes for Pt in the fields of energy conversion, energy storage, and organic synthesis. This research proposes to design and synthesize novel nano-scaled Pt-like catalytic inorganic materials at low cost. We will fabricate dye-sensitized solar cells and evaluate the mechanism and performance of these cells. Furthermore, the research aims to develop economical synthetic methods with simple procedures and explore synthetic routes that can control micro- and nano-structures and morphologies. We will investigate the effect of micro-control of functional materials and the structure of catalysts on photovoltaic performance devices, and subsequently clarify the relationship between the performance and the nanostructures, electronic structure, valence state, energy level, surface detection, and crystalline structure of the catalytic materials. Our proposed study on the mechanisms of the catalytic materials for the organic redox couples will provide a theoretical basis for the development of new concept solar cells, fuel cells, hydrogen production, and other new energy technologies.

无机纳米类铂催化材料由于在能源转换和能源存储以及有机反应合成等方面有望成为可替代铂等贵金属催化剂的关键材料，近年受到了广泛关注。本课题拟设计合成一系列新型的一维和多维无机纳米类铂催化材料，并用其构建第三代染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池，进行较系统的光电性能研究和深入的催化性能和催化机理研究。研究简易可控的合成方法进行催化材料的微观结构和形貌调控，开展材料的微观结构对器件能量转换效率的影响研究。探索催化材料的种类、电子结构、价态、能带结构、表面缺陷及晶型等因素对器件光电性能的影响，阐明其催化原理。解决材料微观结构和能量转换效率间关系不清规律性差的问题。为新型类铂催化材料的设计和选择提出一定的理论依据，为新型光电能源器件和燃料电池以及制氢等新能源领域催化材料的开发奠定基础。

无机纳米类铂催化材料由于在能源转换和能源存储以及有机反应合成等方面有望成为可替代铂等贵金属催化剂的关键材料,近年受到了广泛关注。本课题设计及合成了一系列新型的一维和多维无机过渡金属的纳米类铂催化材料,并用其构建了第三代染料敏化以及钙钛矿敏化薄膜太阳能电池,并进行了较系统的光电性能研究和较深入的催化性能和催化机理的研究。开发了可控的合成方法以及进行了催化材料的微观结构和形貌的调控,开展了材料的微观结构对器件能量转换效率的影响研究。我们以开发高效低成本非铂催化材料为目的,以过渡金属硒化物和碲化物为研究对象,相继开发了NbSe2、PbTe、CoTe和NiTe2等硒、碲化合物,并将其作为对电极应用于DSCs体系中,系统研究了组成、形貌、结构等 因素对这类化合物催化性能的影响。开发了高效硒化物和碲化物对电极催化材料并取得良好催化性能。为了探索过渡金属硒化物对电极催化材料的催化性能变化规律,我们选用外层电子结构变化规律的五种过渡金属元素,这五种硒化物分别为Cr5.6Se8, MoSe2, WSe2, TaSe2, 和HfSe3,结合理论计算的方法,系统研究了五种物质作为对电极催化材料对传统I3-/I-电对的催化活性变化规律。表征结果表明,五种硒化物的形貌和晶体结构存在一定差异,其中MoSe2和WSe2具有纳米片状形貌,且都为斜方晶型的层状结构,其孔径结构和比表面积均相似,而HfSe3的比表面积最小。电化学表征结果说明WSe2和HfSe3具有良好的催化活性,而MoSe2催化活性较差。探索了催化材料的种类、电子结构、价态、能带结构、表面缺陷及晶型等因素对器件光电性能的影响,并阐明了其催化原理。解决了材料微观结构和能量转换效率间关系不清规律性差的问题。为新型类铂催化材料的设计和选择提供了一定的理论依据,为新型光电能源器件和燃料电池以及制氢等新能源领域催化材料的开发奠定了一定的基础。以上成果,发表了论文18篇，培养硕士研究生13名，博士研究生3名，本科生4名。培养年轻教师4名。