低成本高電催化活性金屬基電極材料的研究

《低成本高電催化活性金屬基電極材料的研究》是依託南開大學，由李國然擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低成本高電催化活性金屬基電極材料的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李國然
• 依託單位：南開大學

中文摘要

貴金屬鉑在能源領域是一類不可或缺的電極材料和催化材料。然而，鉑屬於嚴重稀缺和高價位的資源，如何採用低成本的新型材料替代鉑是非常值得研究的科學問題。本申請擬通過對常規過渡金屬鈦、鎳和鈦鎳合金等進行表面氮化處理，從而影響表面金屬的軌道電子分布，使其具有類似貴金屬的電子結構與電催化活性，並替代鉑作為光陰極材料套用於染料敏化太陽能電池中。研究內容包括鈦、鎳和鈦鎳合金等的表面可控氮化的製備、結構分析和電催化活性，以及作為染料敏化太陽能電池電極材料的電化學性能和電化學機制。在此基礎上，探明鈦、鎳和鈦鎳合金的表面氮化規律，及對其電催化性能的內在影響，探索出1～2種適用於染料敏化太陽能電池的高效、低成本電極材料。該研究對於發展染料敏化太陽能電池用低成本電極材料具有重要的理論價值和實際意義；同時，對於相關領域研究鉑的替代材料也具有借鑑意義。

結題摘要

該項目的主要研究目標在於探索出1～2種適用於染料敏化太陽能電池的低成本電極材料，並闡明其電化學機制。經過三年的研究，取得了較為重要的研究進展，順利完成了研究目標。到目前為止，已經發表SCI收錄論文6篇（分別發表在Energy Environ. Sci., J. Mater. Chem., J. Mater. Chem. A, Phys. Chem. Chem. Phys., Electrochim. Acta, J. Electrochem. Soc.），獲得授權專利2項（ZL201110271785.2和ZL201110004929.8），公開階段專利1項（CN103325577A）。除此之外，尚有4篇標註的SCI論文在審稿過程中。該項研究取得的進展和獲得的成果可以概括為以下幾個方面：1、系統地研究了金屬氮化物材料及其與碳複合體系作為太陽能電池對電極的潛力與特徵。研究結果表明，單純的金屬氮化物材料作為對電極的性能距離鉑的水平相差甚遠。將金屬氮化物與碳材料複合可以有效解決材料中電子傳輸和離子擴散問題，進而提高材料的電化學表現。2、闡明了過渡金屬化合物與不同碳材料之間在電極過程動力學方面的協同效應。氮化物具有較高的本徵電催化活性，碳材料具有良好的電子傳輸能力，將氮化物納米粒子固載於碳材料上，兩者能夠緊密結合。在電極過程中，電子能夠通過碳納米管導電網路快速傳輸，而氮化物納米粒子提供高的電催化活性，兩者協同作用，使複合材料具有良好的電化學表現。3、製備了性能優於鉑電極的新型過渡金屬氮化物基透明電極。採用反應磁控濺射和化學處理相結合的方法製備了鎳基透明電極。該電極能夠在保證良好的電催化活性和導電性的同時，保持良好的透明度，使之在電化學表現和光學性質兩個方面均達到甚至超過鉑的水平。4、金屬磷化物和硫化物對電極體系的探索與新材料的套用拓展。硫化鎳與石墨烯的協同同樣可以提高作為對電極的電化學性能；類石墨烯結構的硫化鉬作為對電極材料時，電催化活性位位於其層狀的邊緣，而不是（002）基面。另外，金屬氮化物材料取代鉑也可以拓展到光儲能電池體系中。