【科技自立自強】西安交大科研人員在PEM析氧陽極材料及鈣鈦礦太陽能電池驅動的燃料轉換和電力存儲系統研究中取得新進展
時間：2023-03-21 09:53:38 閱讀量：2195
金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池因其具有低成本、高效率的優勢，在過去的十年中受到了廣泛的關注。持續提高光電轉化效率是鈦礦太陽能電池發展的關鍵，但同時也面臨著能源儲存的困境，導致潛在的資源浪費。將太陽能轉化為化學燃料被視為促進能源多樣性和提高其利用效率有效途徑。將金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池與電化學轉換系統進行集成，將光能的捕獲、轉換和存儲一體化，可以顯著提升光能的綜合利用效率?；诖耍靼步煌ù髮W的梁超研究員、楊生春教授與澳門大學的邢貴川教授合作，系統總結了鈣鈦礦太陽能電池驅動的電化學燃料轉換、電催化還原和電能存儲系統的集成于發展現狀。重點介紹了基于鈣鈦礦太陽能電池的新興光電化學器件開發，包括自充電電池組、無輔助太陽能水裂解/CO2還原等領域的研究進展，并對該領域所面臨的科學挑戰進行了分析和展望。上述工作近日分別以（Perovskite Solar Cell Powered Integrated Fuel Conversion and Energy Storage Devices）和（Recent Progress in Perovskite-Based Reversible Photon–Electricity Conversion Devices）為題分別發表在國際知名期刊Advanced Materials和Advanced Functional Materials。論文第一作者為西安交通大學物理學院博士生楊鴿鴿、楊文涵和澳門大學博士生顧浩，西安交通大學物理學院梁超研究員、楊生春教授和澳門大學邢貴川教授為論文的共同通訊作者，西安交通大學為論文第一作者和通訊作者單位。
利用電解水析氫耦合燃料電池技術，實現電能-化學能、化學能-電能之間的能源存儲與轉換，是解決綠色能源發展領域“棄光”和“棄風”等問題的有效途徑。設計制備高效、低成本的電解水催化劑，提高能量轉換效率，是這一技術推廣應用的關鍵。酸性質子交換膜（PEM）電解水制氫具有啟動快、產氫效率高、體積小等優勢，但存在析氧陽極在酸性電解質中易被腐蝕溶解，以IrO2為主要成分的商用析氧催化劑成本過高等問題，因此設計兼具高活性、高耐久性和低成本電極催化劑是這一領域亟待解決的關鍵課題。對此，西安交通大學物理學院楊生春教授和王斌副教授基于d帶中心理論，設計了能夠在酸性電解液中穩定工作的Nd摻雜RuO2（Nd0.1RuOx）析氧催化劑，其在10 mA cm?2電流密度下的過電勢僅為211 mV，并表現出優異的耐久性。理論計算表明，Nd的引入能夠調控Nd0.1RuOx的d帶中心能量，有效平衡了含氧中間體的吸附和解吸，降低了反應決速步（O*àOOH*）的能壘，從而加速了Nd0.1RuOx的析氧反應過程。此外，Nd摻雜還使得Nd0.1RuOx的O 2p能帶中心下移，表明Nd0.1RuOx中Ru-O的共價性減弱，使其在熱力學上不利于發生直接O-O耦合基元反應步驟。同時，Nd0.1RuOx中高比例的Ru4+有效抑制了析氧過程中Ru在酸性電解質中的溶解。將Nd0.1RuOx/CC作為析氧陽極組裝于PEM電解槽中后可以在10 mA cm?2下穩定運行50 h，展示出優異的穩定性。該研究通過設計RuO2的電子結構，為酸性電解質中OER催化劑的設計提供了新思路。上述研究工作近日以（Optimizing the Electronic Structure of Ruthenium Oxide by Neodymium Doping for Enhanced Acidic Oxygen Evolution Catalysis）為題發表在國際知名期刊Advanced Functional Materials。論文第一作者為西安交通大學物理學院李璐博士，西安交通大學物理學院王斌副教授、楊生春教授為論文的共同通訊作者，西安交通大學為論文第一作者和通訊作者單位。
上述研究工作受到國家自然科學基金、陜西省重點項目、陜西省創新團隊項目和西安交通大學基本科研業務費等資助并得到了西安交通大學分析測試共享中心的大力支持。
梁超，博士，西安交通大學物理學院特聘研究員，博士生導師。主要從事鈣鈦礦太陽能電池、電催化和超快光譜學研究。相關工作發表在Nat. Energy、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等期刊上，受到國內外相關學者的廣泛關注和多次引用。其中發表在Nat. Energy的論文入選2021年“中國百篇最具影響國際學術論文”，相關工作入選2021年度“中國高等學校十大科技進展”，并獲2022年澳門科學技術獎勵自然科學二等獎（第三完成人）。主持國家基金委項目一項，擔任Mater. Res. Lett.、Carbon Energy、eScience期刊青年編委。
王斌，博士，西安交通大學物理學院副教授，博士生導師。從事太陽能光催化制氫、電催化分解水制氫等研究，相關工作發表在Adv. Funct. Mater.、Appl Catal B-environ、Adv. Sci.、Chem. Eng. J.等期刊。先后主持國家自然科學基金、中國博士后基金、科技部重點研發計劃子任務、國家重大 專項子課題等項目。近三年，獲得“優秀班主任”榮譽1次，所帶本科班1人次獲得西安交通大學“優秀學生標兵（本科生）”，合作指導博士生1人次獲西安交通大學“優秀博士研究生標兵”，1人次獲“陜西省優秀畢業生”稱號。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213304
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202108926
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300383
來源：交大新聞網
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