低成本高电催化活性金属基电极材料的研究

贵金属铂在能源领域是一类不可或缺的电极材料和催化材料。然而，铂属于严重稀缺和高价位的资源，如何采用低成本的新型材料替代铂是非常值得研究的科学问题。本申请拟通过对常规过渡金属钛、镍和钛镍合金等进行表面氮化处理，从而影响表面金属的轨道电子分布，使其具有类似贵金属的电子结构与电催化活性，并替代铂作为光阴极材料应用于染料敏化太阳能电池中。研究内容包括钛、镍和钛镍合金等的表面可控氮化的制备、结构分析和电催化活性，以及作为染料敏化太阳能电池电极材料的电化学性能和电化学机制。在此基础上，探明钛、镍和钛镍合金的表面氮化规律，及对其电催化性能的内在影响，探索出1～2种适用于染料敏化太阳能电池的高效、低成本电极材料。该研究对于发展染料敏化太阳能电池用低成本电极材料具有重要的理论价值和实际意义；同时，对于相关领域研究铂的替代材料也具有借鉴意义。

该项目的主要研究目标在于探索出1～2种适用于染料敏化太阳能电池的低成本电极材料，并阐明其电化学机制。经过三年的研究，取得了较为重要的研究进展，顺利完成了研究目标。到目前为止，已经发表SCI收录论文6篇（分别发表在Energy Environ. Sci., J. Mater. Chem., J. Mater. Chem. A, Phys. Chem. Chem. Phys., Electrochim. Acta, J. Electrochem. Soc.），获得授权专利2项（ZL201110271785.2和ZL201110004929.8），公开阶段专利1项（CN103325577A）。除此之外，尚有4篇标注的SCI论文在审稿过程中。该项研究取得的进展和获得的成果可以概括为以下几个方面：1）系统地研究了金属氮化物材料及其与碳复合体系作为太阳能电池对电极的潜力与特征。研究结果表明，单纯的金属氮化物材料作为对电极的性能距离铂的水平相差甚远。将金属氮化物与碳材料复合可以有效解决材料中电子传输和离子扩散问题，进而提高材料的电化学表现。2）阐明了过渡金属化合物与不同碳材料之间在电极过程动力学方面的协同效应。氮化物具有较高的本征电催化活性，碳材料具有良好的电子传输能力，将氮化物纳米粒子固载于碳材料上，两者能够紧密结合。在电极过程中，电子能够通过碳纳米管导电网络快速传输，而氮化物纳米粒子提供高的电催化活性，两者协同作用，使复合材料具有良好的电化学表现。3）制备了性能优于铂电极的新型过渡金属氮化物基透明电极。采用反应磁控溅射和化学处理相结合的方法制备了镍基透明电极。该电极能够在保证良好的电催化活性和导电性的同时，保持良好的透明度，使之在电化学表现和光学性质两个方面均达到甚至超过铂的水平。4）金属磷化物和硫化物对电极体系的探索与新材料的应用拓展。硫化镍与石墨烯的协同同样可以提高作为对电极的电化学性能；类石墨烯结构的硫化钼作为对电极材料时，电催化活性位位于其层状的边缘，而不是（002）基面。另外，金属氮化物材料取代铂也可以拓展到光储能电池体系中。