快趣直播免费版app下载 - 快趣直播app大全下载最新版本免费安装软件

科學家發(fā)現(xiàn)24種二維電催化劑,助力氫燃料電池規(guī)�;瘧�(yīng)用

時間:2023-08-12 08:08來源:DeepTech深科技 作者:綜合報道
點擊:


“我們在近 3000 種二維材料之中篩選出 24 種體系,這些材料有望可以有效權(quán)衡反應(yīng)的活性和穩(wěn)定性,也就是說它們都是高性能的二維電催化劑,有望提高電催化的整體性能。”北京化工大學郭翔宇博士表示。

他進一步介紹稱,此次發(fā)現(xiàn)的二維電催化劑擁有良好的穩(wěn)定性、較大的活性面積、以及本征二維基面活性,同時還能保持不錯的高電化學穩(wěn)定性,對于電解技術(shù)和氫燃料電池的規(guī)�;瘧�(yīng)用具有重要意義。


圖 | 郭翔宇 2023 年 4 月攝于印度尼西亞 ljen 火山(來源:郭翔宇)

那么,這 24 種材料是如何選出來的?具體來說,郭翔宇和所在團隊提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的策略,通過建立一系列設(shè)的計原理,對具有本征二維基面活性和電化學穩(wěn)定性的二維材料進行高通量篩選,從而實現(xiàn)高效的氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)。

研究中,他們以此前由新加坡國立大學團隊開發(fā)的二維數(shù)據(jù)庫 2DMatPedia 為基礎(chǔ),通過對材料進行合成潛力分析,識別出 1411 種候選材料,這些材料有望被剝離成單層。其中,338 種材料表現(xiàn)出較好的導電性;50 余種材料在氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)中的活性,超過或媲美鉑/二氧化銥的活性。

通過結(jié)合巨正則密度泛函理論計算和第一性原理的分子動力學模擬,郭翔宇和同事在反應(yīng)條件之下,針對這些高活性材料可能發(fā)生的溶解和氧化問題加以研究,最終篩選出了上述 24 種材料。

日前,相關(guān)論文以《數(shù)據(jù)驅(qū)動的具有基面活性的電化學穩(wěn)定的二維材料對氧電催化的追求》(Data-driven pursuit of electrochemically stable 2D materials with basal plane activity toward oxygen electrocatalysis)為題發(fā)表在 Energy & Environmental Science(IF 32.5)。

郭翔宇是第一作者,南京理工大學教授張勝利、美國波多黎各大學教授陳中方、北京化工大學教授黃世萍擔任共同通訊作者 [1]。

 

圖 | 相關(guān)論文(來源:Energy & Environmental Science)

從 5500 種二維材料說起

當前,隨著世界能源框架結(jié)構(gòu)的不斷升級,以及自然環(huán)境保護意識的逐漸提高,發(fā)展綠色高效的清潔能源技術(shù)逐漸成為當今時代發(fā)展的重點之一。

氫作為一種重要的能量來源,憑借來源廣泛、清潔無污染、能量密度和發(fā)熱值高等諸多優(yōu)點,有望解決化石燃料短缺難題和環(huán)境污染問題。

水電解技術(shù)和氫燃料電池,是實現(xiàn)產(chǎn)氫和氫轉(zhuǎn)換的重要手段。在這兩種技術(shù)中,析氧反應(yīng)和氧還原反應(yīng)發(fā)揮著重要作用。

例如,通過利用氧還原反應(yīng),燃料電池能將燃料和氧氣直接轉(zhuǎn)化為電能。而電解水在產(chǎn)生氫氣的同時,還能發(fā)生析氧反應(yīng)從而產(chǎn)生純凈的氧氣,進而實現(xiàn)氧氣供應(yīng)或改善空氣質(zhì)量。

此外,析氧反應(yīng)和氧還原反應(yīng)還能用于處理和凈化廢水、廢氣等工業(yè)排放物,從而有效降低污染物濃度,以及減少對于生態(tài)系統(tǒng)的影響。

要想實現(xiàn)這兩種催化反應(yīng)的高效進行,則需要設(shè)計穩(wěn)定的電催化材料。

過去十年間,盡管學界已經(jīng)合成多款催化劑體系,但是目前依然沒有一款催化材料能在發(fā)揮優(yōu)異催化性能的同時,還能保持較低的制造成本。

21 世紀初,自從俄羅斯物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和荷蘭物理學家安德烈·海姆(Andre K. Geim)共同發(fā)現(xiàn)石墨烯并獲得諾貝爾物理學獎以來,二維材料領(lǐng)域獲得了空前的發(fā)展。

近年來,在物理手段和化學手段的幫助之下,科學家們針對石墨烯材料進行剝離,借此得到一系列單層或少層的二維材料,并對其在物理、化學、電子信息學等方面的潛在應(yīng)用加以探索。

二維材料往往具有較大的表面積,理論上能夠與反應(yīng)物種進行充分接觸,從而提高催化活性的面積。正因此,二維電催化材料的設(shè)計已經(jīng)成為催化劑設(shè)計領(lǐng)域的熱點之一。

但是,在當前的材料數(shù)據(jù)庫之中,具備層狀結(jié)構(gòu)特征的二維材料已經(jīng)超過 5500 種。那么,這些材料的導電性、合成性、對于氧還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)的反應(yīng)活性和選擇性、以及工況條件之下的電化學穩(wěn)定性到底如何?這仍然是一個研究難度頗高的問題。

關(guān)注到這一問題之后,郭翔宇等人開展了本次研究。同時,此次論文也是他在讀博期間的代表作。

(來源:Energy & Environmental Science)


無懼課題“撞車”


能將論文發(fā)在 Energy & Environmental Science 上,期間可謂一波三折。整個讀博期間以及畢業(yè)后的兩年時間,郭翔宇的全部心血幾乎全部付諸于此。

2019 年 5 月,這項工作已經(jīng)開展將近一年之久。有一天,郭翔宇看到 ACS Energy Letters 刊登了一篇類似的論文。

相比郭翔宇的研究,這篇同行論文不僅出發(fā)點相似,而且也是一項基于數(shù)據(jù)庫和面向氧還原反應(yīng)/析氧反應(yīng)的理論研究成果。

并且,同行的論文不僅囊括了二維材料體系,還分析了主流數(shù)據(jù)庫中的所有多元金屬氧化物。這對郭翔宇的課題原創(chuàng)性帶來了不小的影響。

“當我看到這篇論文之后,研究熱情一下子跌到谷底,非常擔心自己籌劃已久的課題和將近一年的努力打了水漂。但在平靜心態(tài)之后,我不斷提醒自己世界上沒有相同的兩片樹葉,同一個科研課題也可以做出不同的研究特色。”郭翔宇說。

事實上,后續(xù)在郭翔宇論文的審稿過程中,的確有幾位審稿人提到了那篇同行論文。不過,他仔細研究了同行論文的特色和局限性,并對自己的課題方向進行重新規(guī)劃。

然而,2022 年下半年郭翔宇卻收到了 Energy & Environmental Science 的拒稿通知。“而在此之前我基于審稿人的修改建議,大范圍地調(diào)整了論文行文邏輯,也補充了大量的實驗數(shù)據(jù),但卻并沒有得到期刊的完全認可。”他說。

當時,參與這項工作的合作導師建議郭翔宇嘗試投稿其他期刊,以避免和該期刊的審稿專家發(fā)生觀點分歧。

“這對我來說是晴天霹靂,這意味著我寫的幾十頁回復信,在沒有被審稿專家評閱或否定之前,就在我們自己內(nèi)部的討論中被否定了。”郭翔宇說。

自己的專長并未得到導師和領(lǐng)域同行的認可,這讓他開始懷疑一直以來的堅持是否有意義。

后來,郭翔宇轉(zhuǎn)念一想:“重新投稿尚且還有一絲機會,放棄則意味著機會完全等于零。”

后來,他和同事堅持將回復意見返回給 Energy & Environmental Science 編輯部。幸運的是,他們得到了之前的審稿人和新的仲裁專家的一致認可,并得到更多建設(shè)性的修改意見,這為第三次投稿和論文接收打下了鋪墊。

圖 | 稿件投稿記錄(來源:郭翔宇)

最終,論文得以成功發(fā)表在 Energy & Environmental Science,這給郭翔宇帶來莫大的鼓勵。原因在于,Energy & Environmental Science 是以實驗為主的期刊,過去幾年間它只收錄了極少量的計算模擬論文,純理論的催化類論文更是少之又少。

而此次論文的成功接收也間接表明,隨著高精度計算方法的不斷發(fā)展,以理論模擬為導向的催化劑設(shè)計,或能得到更多的同行認可。

不過,要想通過理論模擬手段實現(xiàn)高精度的預測,仍有一些難題等待攻克,比如如何破解計算方法的局限性、如何合理構(gòu)建源自催化劑的模型等。

在此次工作中,郭翔宇等人發(fā)現(xiàn)由于析氧反應(yīng)通常要在高氧化還原電位下進行,這導致絕大多數(shù)催化劑無法很好地保持表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

這意味著催化劑表面活性位點的溶解、析出、以及催化表面的氧化和重構(gòu),很可能在實際實驗和應(yīng)用中更為常見。

因此,在理論模擬手段的幫助下,如何在工況條件之下構(gòu)建催化表面結(jié)構(gòu),并采取合理的計算方法去理解催化活性的起源,可能是未來的發(fā)展方向之一。針對此,郭翔宇和合作者也會開展相關(guān)的嘗試。

另據(jù)悉,郭翔宇于 2021 年 6 月獲得北京化工大學的博士學位。隨后,他來到北京計算科學研究中心擔任訪問學者。

2022 年初,他來到新加坡國立大學從事博后研究,并在諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)的指導下參與一項合作型研究。

2023 年 6 月,郭翔宇又來到德國不萊梅大學。在德國洪堡基金會的支持之下,目前他正以洪堡學者的身份開展學術(shù)研究,并在繼續(xù)研究二維電催化劑這一方向。

 
(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 催化劑 氫燃料電池
免責聲明:本文僅代表作者個人觀點,與中國電池聯(lián)盟無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實,對本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾,請讀者僅作參考,并請自行核實相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來源:XXX(非中國電池聯(lián)盟)”的作品,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的,請在一周內(nèi)進行,以便我們及時處理。
QQ:503204601
郵箱:[email protected]
猜你喜歡
專題
相關(guān)新聞
本月熱點
歡迎投稿
聯(lián)系人:王女士
Email:cbcu#cbcu.com.cn
發(fā)送郵件時用@替換#
電話:010-56284224
在線投稿
企業(yè)微信號
微信公眾號