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合肥原位焦耳加熱裝置助力山東大學張進濤課題組AEM-界面電化學轉化助力高效能源轉換

Release date：2022-03-30 Reading quantity：538

近日，山東大學張進濤課題組在國際頂尖期刊AEM(IF：29.368)上發(fā)表題為《Electrochemically Driven Interfacial Transformation For High-Performing Solar-To-Fuel Electrocatalytic Conversion》的文章。張老師在文章中明確提到使用我司的焦耳加熱裝置進行相關實驗，感謝張老師的大力支持。下面讓我們一起來看看文章吧！

【全文速覽】

本文運用焦耳熱處理方法對碳纖維表面進行功能化，充分發(fā)揮功能碳纖維與硫化鉍納米棒（Bi2S3）間的相互作用，調控電化學驅動界面反應過程制備三維鉍納米片網(wǎng)絡結構（BiNN-CFs），并揭示了界面電化學反應納米結構設計規(guī)律。該BiNN-CFs催化劑具有優(yōu)異的二氧化碳還原催化性能，在超寬電位區(qū)間內完成了高的合成甲酸法拉第效率FEHCOOH（≈92%）和高達400 mA cm-2的電流密度。結合理論計算結果揭示，納米片邊緣豐富的晶格畸變能夠顯著調控p帶電子結構，優(yōu)化對反應中間體的吸附過程，從而提高電催化性能。同時，耦合太陽能驅動的CO2-H2O全電池也表現(xiàn)出優(yōu)異的能量轉換效率（13.3%）。界面電化學驅動的納米結構催化劑設計及電催化機理研究對于優(yōu)化催化性能和促進清潔能源轉換具有重要研究意義。

【背景介紹】

傳統(tǒng)化石燃料的過度消耗，導致嚴重的能源危機和溫室氣體的大量排放。利用電化學方法將二氧化碳轉化為高價值化學品和有機燃料，不僅能夠降低大氣中二氧化碳的濃度，而且為能源的可持續(xù)發(fā)展提供了一個非常有前景的策略。

【研究出發(fā)點】

由于良好的催化活性和較弱的氫結合能力，金屬鉍受到眾多科研工作者的青睞。但是，由于鉍鹽易水解和金屬鉍易氧化的問題，直接還原方法制備鉍納米結構材料面臨較多困難，特別是氧化鉍的電催化貢獻仍存在爭議。通常，預合成的納米結構催化劑需要涂覆在導電集流體上，在涂覆過程中加入的導電碳或非導電聚合物粘合劑會導致納米結構的聚集，也影響催化活性中心的識別。因此，制備自支撐的金屬鉍納米結構并揭示其催化性能與機理具有重要研究意義。

【圖文解析】

要點一：材料制備與表征

首先，在碳纖維表面涂覆一層聚四氟乙烯，經過后續(xù)的焦耳熱方法處理實現(xiàn)了碳纖維的表面功能化（f-CFs）。隨后，將Bi2S3負載在f-CFs表面，在電化學驅動下使其原位轉變?yōu)槿S鉍納米片網(wǎng)絡結構（BiNN-CFs）。如圖1,2所示，原位生成的鉍納米片厚度僅為4.8 nm，在其邊緣存在豐富的晶格扭曲，同時納米片相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡結構。

要點二：結構和組分的原位轉變

為了探究電化學轉變過程，我們利用半原位XRD，SEM，原位Raman等手段進行了結構和組分的追蹤。如圖3所示，在施加電位的最初幾秒，材料由硫化鉍迅速轉變?yōu)榻饘巽G。隨后，在f-CFs表面經過相對緩慢的重構過程，組裝為相互交聯(lián)的鉍納米片結構。理論計算結果表明，f-CFs表面對金屬鉍具有較高的結合能，電荷離域誘導金屬鉍在f-CFs表面的重構生長過程。

要點三：電催化性能

在流動池中CO2RR性能測試表明，在-0.9V時，BiNN-CFs 的甲酸法拉第效率FEHCOOH達到95.7%，在-0.5 ~-1.4 V的超寬電位區(qū)間內，FEHCOOH依然維持在92%以上。在-1.3 V時，電流密度高達400 mA cm-2。特別地，通過優(yōu)化催化劑的載量，使其與太陽能電池的最大功率點匹配，實現(xiàn)了優(yōu)異的太陽能到甲酸的轉化率13.8%和高的太陽能到電能的利用率55.6%。

要點四：反應機理研究

利用微分電化學質譜揭示CO2RR過程中產物與電位之間的關系，同時利用原位紅外進一步識別關鍵的反應中間體HCOO*。理論計算結果表明，具有晶格扭曲的Bi（012）對HCOO*具有更高的吸附能，能夠顯著降低反應的吉布斯自由能，促進CO2的吸附和活化，從而實現(xiàn)高效電還原CO2。

【總結與展望】

本文運用焦耳熱處理方法對碳纖維表面進行功能化，充分發(fā)揮Bi2S3與f-CFs表面間的相互作用，通過電化學驅動合成了功能碳纖維負載的三維鉍納米片（BiNN-CFs）。實驗和理論計算有機結合，揭示了原位界面反應過程中結構與形貌的轉變規(guī)律。作為電催化劑，BiNN-CFs表現(xiàn)出了優(yōu)異的二氧化碳還原催化性能。理論模擬計算揭示結構重構的鉍納米片邊緣具有豐富的缺陷結構，能夠顯著調控p帶電子結構，從而優(yōu)化反應中間體的吸附，實現(xiàn)高效的二氧化碳電催化還原。同時，集成的太陽能驅動的CO2-H2O電解池展現(xiàn)出了優(yōu)異的能量轉化效率。該研究工作通過理解電化學調控界面轉變規(guī)律設計高效電催化劑，為進一步耦合太陽能實現(xiàn)高效清潔能源利用具有重要研究意義。

【論文信息】

參考文獻：

Wulan, B., Zhao, L., Tan, D., Cao, X., Ma, J., Zhang, J., Electrochemically Driven Interfacial Transformation For High-Performing Solar-To-Fuel Electrocatalytic Conversion. Adv. Energy Mater. 2022, 2103960.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202103960

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