【创新前沿】Materials Horizons报道我校电解制氢电极应变工程领域的邀请综述

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近日,受英国皇家化学会Materials Horizons期刊执行主编Michaela Muehlberg的邀请,我校张博威副教授等发表了题为“Strain Engineering of Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction”的综述论文,系统总结了电解制氢领域的应变工程最新研究进展并作出展望。

氢能,作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源,是未来构建以清洁能源为主的多元能源供给系统的重要载体,其开发与利用技术已成为新一轮世界能源技术变革的重要方向。电解水制氢被视为实现“双碳”目标的必由之路。提高析氢电极的转换效率是当务之急。

应变工程作为一种有效的材料调控手段,在优化催化电极的产氢性能方面发挥着关键作用。相比于其他结构调控工程策略,应变工程实施成本低且操作简单,有望极大降低电极制造成本及制氢电耗。然而,当下应变工程应用于析氢领域的研究仍处于起步阶段,在应变效应解耦、理论机理等方面尚未有系统认识,在实际生产制造中也存在诸多问题和难点,为该技术的后续发展带来了挑战。

图片说明:近年来应变工程研究趋势分布

本论文立足多学科交叉,一方面系统总结了应变引入的策略,采用电子显微与光谱相结合的原位表征技术,实现对应变-结构调控机理的深入分析;另一方面通过讨论应变效应对纳米多金属、二维非贵金属和单原子催化材料的析氢性能影响,提出了应变工程在提高析氢催化电极性能方面的显著作用,重点报道了其对于催化电极电子结构-产氢性能之间的调控机制,为制氢电极的优化设计提供了理论基础。

图片说明:应变工程的引入策略、先进表征技术和析氢应用

应变工程对于催化电极产氢性能的优化,本质在于对催化电极的催化剂电子结构进行物理调控。将拉伸应变引入催化电极后,其d带中心向费米能级迁移,电极催化层界面与吸附中间产物H/OH的相互作用增强;反之在压缩应变下,d带中心下移,界面与析氢中间产物相互作用减弱,对析氢性能的影响也呈现相反的影响趋势。立足应变工程及材料物理化学调控,该工作的发表有望为跨学科析氢研究以及先进制氢电极的设计制造提供指导。

图片说明:应变工程用于提高析氢性能的作用机制

上述研究工作主要由我校机械与动力工程学院硕士研究生茅鑫园等在张博威副教授和轩福贞教授共同指导下完成。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委“碳中和”基础研究特区和上海市海外高层次人才等项目的支持。

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d2mh01171a

发布时间:2023-01-18
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