尖晶石型金属氧化物/金属单质基纳米复合材料的合成及电催化性质研究

As the representative of new catalytic materials based on Earth-abundant elements, AB2O4(A=Ni, Co, Cu, Mg；B=Fe, Al) with high oxygen evolution reaction (OER) performance, is expected to play a significant role in the field of water electrolysis. Aim to the current investigations fact that the AB2O4 structure with a poor electrical conductivity, in this project, AB2O4-based nanocomposites system is taken as the research object, and the interfacial-structural-catalytic properties of nanocomposites system are systematically correlated, and the oxygen evolution law under the synergistic regulation of interfacial and electronic structures is systematically studied. The project intends to construct a typical nanocomposite structure model of AB2O4/metal nanoparticles in situ by hydrothermal method and other technical means. XRD, Raman, HRTEM and other structural analysis techniques are used to systematically study the micro-mechanism of multi-factor synergistic catalysis, reveal possible new phenomena and laws, and further understand the intrinsic relationship of multi-factor synergistic regulation. The law of oxygen evolution reaction coupled with multiple factors is of great scientific significance to promote the controllable design and performance control of new and efficient electrocatalytic materials.

以高丰度元素组成的尖晶石型金属氧化物AB2O4(A=Ni, Co, Cu, Mg；B=Fe, Al)为代表的新型OER催化材料，有望在电解水制氢等领域发挥重要的作用。针对目前尖晶石型金属氧化物AB2O4体系中电导率较低的缺点，本项目以AB2O4基纳米复合材料体系为研究对象，系统地开展纳米复合材料体系中界面-结构-催化性能的内在关联，以及界面与电子结构协同调控作用下的析氧作用规律。项目拟通过水热法等技术手段，原位构筑出AB2O4/金属纳米粒子的典型纳米复合材料结构模型，采用XRD, Raman, HRTEM等结构分析技术，综合电化学测试等手段，系统性地研究多因素协同催化的微观机理，揭示可能的新现象和新规律，深入认识多因素协同调控等的内在关联以及多重因素耦合的析氧反应规律，为推动新型高效电催化材料的可控设计与性能调控，具有重要的科学意义。

本项目“尖晶石型金属氧化物/金属单质基纳米复合材料的合成及电催化性质研究”以“结构调控－性能提升－机理解析”为研究策略，按照宏观尺度（方法设计），介观尺度（相貌调控），到原子尺度（机理解析），逐层深入的研究方法和技术手段，着力解决纳米复合催化剂的微观形貌、组成和微纳结构的精确调控，揭示了其构效关系，解决了目前电催化剂晶相不可控、原子掺杂难、催化性能差以及催化机理认识不足等一系列关键科学问题。本项目科学发现点主要有：(1) 揭示双异质界面的形成以及双异质界面处存在相互作用耦合和电子转移，证明了双异质界面存在内置电场，加速电子转移；(2) 结合二维材料较大的比表面积和高熵合金材料对表面吸附性能连续调控的优势，设计合成二维材料高熵MPCh3并探究了其催化特性；(3)提出构筑NiP2异相结，利用二者能级结构的差异，促使电子发生定向移动，在相结界面处发生富集，从而优化电子结构，促进HER反应的发生；(4)制备出钼掺杂的二硒化铼（Re1-xMoxSe2）纳米片，通过钼的适量掺杂达到催化活性和宽太阳光谱响应双重增强的效果，并对其光增强电催化析氢性能进行了详细的探究；(5)制备了封装在多壳层空心氮掺杂碳微球上的NiP2纳米颗粒，并揭示了该电极的储钠机理。项目执行期间，共计发表标记项目资助号的SCI论文8篇，包括Adv. Mater. 1篇, Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，ACS Nano 1篇, Small 1篇, Adv. Energy Sustainability Res. 1篇, APL Mater. 1篇，Adv. Sci. 1篇, ACS Sustainable Chem. Eng. 1篇等。