必威杨涛课题组，在氢气能源制取和利用方面取得新进展，设计合成过渡金属基和贵金属基高性能催化材料。研究成果陆续发表在Applied Catalysis B: Environmental (IF=19.503)和Chemical Engineering Journal (IF=13.273)。我院2019级硕士研究生朱自政和2018级硕士研究生王艺慧是实验的主要完成人，对课题研究做出重要贡献，分别为论文的第一作者，杨涛教授为论文的通讯作者。
1. 过渡金属基催化材料
很多过渡金属（除贵金属以外）材料在碱性条件下显现出优秀的电解水催化活性，这使开发更为丰富的低成本电解水催化材料成为可能。如何提高过渡金属基催化材料的性能，降低电能消耗一直是科学界和产业界关注的重大科学问题。当两种过渡金属原子形成合金时，一方面在电负性差异的作用下，左侧元素的价层电子会进入到右侧元素的原子轨道，另一方面在广义Lewis acid-base作用下，左侧元素原子的空轨道会吸纳右侧元素的价层电子。即元素周期表上不同位置的元素之间的外层电子会发生流动，并且这种流动会受到非金属元素的调控。课题组2019级研究生朱自政同学通过大量的试验论证，耗时18个月，在钴-钒体系中引入磷，实现d电子结构和能量状态的最优化。仅需要98 mV的超小过电势就达到10 mA/cm2的析氢电流，仅需要230 mV的超小电势就获得100 mA/cm2的析氧电流，性能优于目前报道的大部分过渡金属基催化剂。该实验结果与DFT的模拟计算结果高度吻合。该研究所提出的非金属参与调控d电子双向流动策略有望用于其他过渡金属催化体系的优化设计。相关成果发表在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environmental, 304 (2022) 120985 (IF=19.503)。
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120985
2. 贵金属基催化材料
酸性电解质具有快速的质子耦合速率和低的水分解过电位，在一些特殊应用场合仍不可替代。但由于高电位下的强腐蚀性，酸性电解质环境一直是贵金属催化剂的主战场。如何提高贵金属的利用率和活性，直接关系到电解水的成本和贵金属的可持续性利用。贵金属铑本身对氧还原，氢析出和氧析出反应具有优秀的电催化性能。当缺电子且半径较小的硼原子进入到铑的晶格后，会打破还来的有序性，形成新的晶体结构。更为重要的是硼原子的p轨道会和铑的d轨道形成强烈的杂化作用，导致电子离域和表面吸附强度的变化。本课题组2018级研究生王艺慧同学历时16个月，对此进行了大量的试验研究，同时该同学将其之前的研究成果-限域生长机理(Nanoscale, 2019, 11, 23206–23216)融入其中。合成了多孔铑八面体纳米颗粒，然后通过硼的引入改变晶体结构，优化催化性能。该实验结果与DFT的模拟计算结果高度吻合。相关成果发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134982 (IF=12.273)。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134982
