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刘生忠教授团队在单原子掺杂电催化水氧化等方面研究取得新进展

2019-05-31 20:19:02
来源:本报讯
作者:通讯员 闫俊青 刘渝城

电催化水氧化一直以来在能量储存和转换方面扮演着重要的作用,目前水氧化最大的挑战仍然是寻找廉价、高效和超稳定的催化剂来替代贵金属基材料如IrOx, RuOx等。Ni(OH)2基材料是电催化水氧化的热门材料之一。电催化分解水产氧是一个多步骤多电子参与的反应,对催化剂具有很高的要求,首先应具备较好的放电能力用于吸附反应液里游离水分子;其次应提供适宜的反应位点用于反应中间体的吸附脱附提供电子供应,即分解水产氧催化剂应至少具备双反应位点:水的吸附和中间体吸附脱附。


基于上述考虑,材料科学与工程学院刘生忠教授团队选用高价态、多外层空轨道的W元素,采用醇热法对Ni(OH)2进行单原子掺杂来构建水氧化的反应位点。利用球差电镜、同步辐射以及紫外可见吸收共同验证了W元素在Ni(OH)2晶格内是以单原子的形式存在。W-Ni(OH)2催化剂表现出优异的电催化产氧活性,实现了在10 mA cm-2电流条件下的237mV的过电位,且在高电位80mA cm-2电流条件下,其过电位为267mV。且该催化剂表现出了可观的稳定性。团队也结合理论计算验证了单原子存在的W位点对水氧化的中间体O-O耦合等步骤具有降低反应过电位的能力。相关研究结果以我校为第一署名单位发表在在国际综合性期刊《Nature Communications》上。第一作者为我校闫俊青副教授,我校硕士生孔令巧和苏州大学博士生纪玉金为论文并列一作。我校刘生忠教授、苏州大学李有勇教授以及澳大利亚纽卡索大学马天翼博士为论文共同通讯作者。


另讯:二维(2D)层状有机-无机杂化钙钛矿具有优异的稳定性和光电性能,在很多应用上性能优于三维(3D)钙钛矿,尤其是在(001)平面上制备的光探测器具有最好的光探测性能。该研究最大的挑战为在特定晶面的优异性能不仅无法从随机取向的微晶薄膜获得,甚至无法利用微晶薄膜进行研究提取。因此,生长具有取向的大尺寸高质量二维钙钛矿单晶成为深入研究各向异性的光电探测性能的必经之路。


近日,材料科学与工程学院刘生忠教授团队利用溶液表面张力控制结晶的方法成功生长了36毫米大小的2D (PEA)2PbI4钙钛矿单晶,在大尺寸二维钙钛矿单晶及单晶探测器研究方面取得新进展。该单晶具有非常优异的光探测性能。根据密度泛函理论模拟计算,这种单晶具有各向异性的光电性能。经研究发现,在(001)晶面上制备的光电探测器的响应率高达139.6 A W-1,外部量子效率为37719.6%,探测率为1.89×1015cm Hz1/2W-1以及具有快的响应速度(τrise = 21μs,τdecay = 37μs)。相关成果以我校为第一单位发表在材料学旗舰期刊Matter上(Matter, 10.1016/j.matt.2019.04. 002.)。刘渝城,叶皓晨和张云霞为论文共同第一作者,刘生忠教授和徐卓博士为论文通讯作者。

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