中南大学雷永鹏团队在金属电催化材料领域取得重要系列进展

近日，中南大学粉末冶金国家重点实验室雷永鹏教授等在金属电催化材料领域取得重要研究进展。相关成果接连发表在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Communications等国际权威期刊。

电催化CO2还原反应（CO2RR）能够在温和条件下生成燃料和化学品等，为维持全球碳平衡和缓解能源短缺提供了一条可持续的途径。单原子催化剂（SACs）包括彼此分隔开的活性金属中心和载体，最大化的原子利用效率和高的本征活性使其备受关注。调节SACs中活性位点的配位结构（配位键、配位数、键长、键角等）可以影响电子转移和反应中间体的吸附态，进而调控CO2RR的活性和选择性。文章总结了典型的配位构型和常见的表征工具；以碳基单分散过渡金属原子为例，揭示了配位结构与同步辐射光谱之间的关联；讨论了基于碳载体和非碳载体中心/配位原子的设计、调控策略，尤其是配位结构对电流密度、还原产物、反应路径等的影响及反应过程中催化剂的重构。该成果以“Regulating the coordination structure of metal single atoms for efficient electrocatalytic CO2 reduction”为题发表在Energy & Environmental Science（doi: 10.1039/D0EE02833A），联合培养硕士生王裕超为第一作者，雷永鹏为通讯作者。

单原子催化剂用于火星CO2RR示意图。

氢气是化石能源的理想替代品，利用可再生电能电解水是非常重要的制氢方法。然而，碱性条件下的氢析出反应（HER）面临动力学缓慢、过电势高等问题，亟需高效的电催化剂驱动水分解和质子还原。尖晶石型过渡金属氧化物具有廉价、无毒、稳定等优点，通过促进电子转移来提高其碱性HER性能具有重要意义。作者在富缺陷氧族化合物表面引入碳层，构建了一种典型的肖特基结。实验和计算结果表明，富缺陷的CoFe2O4呈现金属性，氮掺杂碳呈半导体特性，电子从内部的氧化物和合金流向外部的氮掺杂碳，有效促进了催化剂表面发生的HER反应，并为氧化物用于碱性HER提供了借鉴。该成果以“Accelerating charge transfer to enhance H2 evolution of defect-rich CoFe2O4 by constructing a Schottky junction”为题发表在Chemical Communications（doi: 10.1039/D0CC05656A），联合培养硕士生王裕超、刘标副教授、20届硕士生刘毅为共同第一作者，雷永鹏为通讯作者。

构建的肖特基结促进了电子转移，提高了HER电流密度。

此外，雷永鹏还和戴黎明教授、王平山教授合作，制备了Tpy-Co基聚合物金属水凝胶用于水分解氧析出反应，相关成果以“TpyCo2+‐Based Coordination Polymers by Water‐Induced Gelling Trigged Efficient Oxygen Evolution Reaction”为题发表在Advanced Functional Materials（doi: 10.1002/adfm.202000593）。与四川轻化工大学的雷英老师合作，以生物质转化法制备了多孔碳负载的Fe单原子/Fe2O3团簇，并用作锌-空气电池正极材料，相关成果以“Biomass in situ conversion to Fe single atomic sites coupled with Fe2O3 clusters embedded in porous carbons for the oxygen reduction reaction”为题发表在Journal of Materials Chemistry A（doi: 10.1039/D0TA06022D）。