黄宏文课题组JACS：能源转换电催化领域取得系列进展

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材料科学与工程学院黄宏文教授团队在能源转换电催化领域取得系列进展，研究成果分别发表在J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Appl. Catal. B Environ.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale等国际权威化学和材料期刊上。
       质子交换膜燃料电池因其高的能量效率，零排放等技术优势，在电动汽车领域有重要的应用前景，是学术界和工业界关注的焦点。开发出高活性与稳定性的铂基纳米催化剂，从而减少贵金属铂的使用量，是促进质子交换膜燃料电池走向大规模应用的关键。近年来，研究人员发现将铂与过渡金属（例如，Fe，Co，Ni）合金化是提高催化剂活性的有效方法。但在燃料电池工况下(强氧化性电极环境)，过渡金属元素易于溶解析出，导致铂基合金电催化剂的耐久性存在严重的不足，难以实际应用于质子交换膜燃料电池催化剂。

能源转换电催化

      针对铂基合金催化剂的耐久性问题，黄宏文教授团队提出通过掺入p区金属元素来构筑强的p-d轨道杂化相互作用，从而抑制合金催化剂的组分的溶解析出，实现高的催化耐久性。基于具有p-d轨道杂化相互作用的PtGa超细合金纳米线，团队结合实验证据和理论模拟计算证明了Pt与Ga之间的p-d轨道杂化的强相互作用是其高活性及耐久性的根本原因。此外，团队将Pt4.31Ga合金纳米线作为阴极催化剂组装成质子交换膜燃料电池进行单电池测试，结果表明其最大功率密度高于商用的Pt/C催化剂，证明了该催化剂在质子交换膜燃料电池中的巨大应用潜力。该项研究工作不仅发现了新的高效催化剂，而且为未来的高效催化剂的设计提供了新的设计方法。该研究工作以“Unconventional p-d Hybridization Interaction in PtGa Ultrathin Nanowires Boosts Oxygen Reduction Electrocatalysis”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》(IF=14.695)上。论文的共同第一作者是湖南大学2018级博士研究生高磊和中国科学技术大学的李星星博士，黄宏文教授为通讯作者，美国阿克伦大学彭振猛教授为共同通讯作者，论文第一单位是湖南大学材料科学与工程学院。
       此外，在高效电解水析氧(OER)催化剂方面，团队通过选择性蚀刻电催化剂表面来合成部分非晶化的Ni-Fe LDH催化剂，实现其OER催化活性的大幅度提高，该成果发表在Nanoscale, 2019, 11, 18894–18899 (IF=6.97)。
       在二氧化碳电催化还原领域，团队与中国科学技术大学曾杰教授团队合作，通过DFT计算和电化学测试相结合证明了多孔In2O3纳米带与还原氧化石墨烯之间存在化学耦合效应是其CO2电还原的电催化活性提高的本质原因，该成果发表在国际纳米领域权威期刊Nano Letters， 2019, 19, 6, 4029-4034 (IF=12.279)。
       在高效产氢催化剂方面，团队与材料学院刘智骁助理教授及深圳大学曾昱佳教授合作，通过构筑设计富缺陷一维分层结构的MoS2催化剂，有效增强了电催化产氢的活性，该成果发表在催化领域权威期刊Applied Catalysis B: Environmental， 2019, 117964 (IF=14.229)。
       在电化学合成氨方面(NRR)，团队与材料学院马超教授及深圳大学曾昱佳教授合作，所合成出多重孪晶的Pd3Pb金属间化合物纳米线在电化学合成氨方面展示出高的法拉第效率和产率，该成果发表在材料化学领域的著名期刊Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 20247–20253 (IF=10.733)。
       上述研究得到了中央高校基础研究经费和国家自然科学基金项目的资助。


       论文链接如下：
       https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07238
       https://doi.org/10.1039/c9nr07465a
       https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01393
       https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.117964
       https://doi.org/10.1039/C9TA07519D


       铂催化剂（英文名称platinum catalyst）是一种以金属铂为主要活性组分制成的催化剂的总称。采用铂金属网、铂黑、或把铂载于氧化铝等载体上，也可含有金属铼等助催化剂组分。主要用于氨氧化、石油烃重整、不饱和化合物氧化及加氢、气体中一氧化碳、氮氧化物的脱除等过程。是化学、石油和化工反应过程经常采用的一种催化剂。具有催化活性高，选择性强，催化剂制作方便，使用量少，可以通过制造方法的变化和改进，与其他金属或助催化剂活性组分复配等，优化催化性能。应用领域广，能够反复再生和活化使用，寿命长，废催化剂的金属钯可以回收再利用等优越性。许多铂催化剂品种都已成为专利产品，应用于各行各业，具有新的结构及催化功能的铂催化剂仍在不断研发，不但使许多难以实现的反应过程经铂催化剂催化而成为可能，而且使许多石油和化工等工业生产过程，因采用新开发的铂催化剂得到改善和提高，使工艺过程简化、经济效益提高，因此铂催化剂仍具有远大的发展前景。


       黄宏文，男，1986年10月出生于湖北省黄冈市。2015年在浙江大学材料科学与工程学院获工学博士学位，现任湖南大学材料科学与 工程学院教授，博士生导师。目前主要从事于能源转换技术中关于高效催化剂的研究。至今发表SCI学术论文30篇，其中包括在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano，J. Phys. Chem. Lett.等国际顶级学术期刊发表一作/通讯论文14篇，其中2篇文章入选ESI高被引论文。相关研究成果被ChemistryViews等国际科学媒体以及《科技日报》、《新华网》等国内媒体报道。另外，申请发明专利7项，授权3项。