近日，山東大學(xué)張進(jìn)濤課題組在國(guó)際頂尖期刊AEM(IF：29.368)上發(fā)表題為《Electrochemically Driven Interfacial Transformation For High-Performing Solar-To-Fuel Electrocatalytic Conversion》的文章。張老師在文章中明確提到使用我司的焦耳加熱裝置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，感謝張老師的大力支持。下面讓我們一起來(lái)看看文章吧！

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　　本文運(yùn)用焦耳熱處理方法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行功能化，充分發(fā)揮功能碳纖維與硫化鉍納米棒（Bi2S3）間的相互作用，調(diào)控電化學(xué)驅(qū)動(dòng)界面反應(yīng)過(guò)程制備三維鉍納米片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（BiNN-CFs），并揭示了界面電化學(xué)反應(yīng)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律。該BiNN-CFs催化劑具有優(yōu)異的二氧化碳還原催化性能，在超寬電位區(qū)間內(nèi)完成了高的合成甲酸法拉第效率FEHCOOH（≈92%）和高達(dá)400 mA cm-2的電流密度。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果揭示，納米片邊緣豐富的晶格畸變能夠顯著調(diào)控p帶電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化對(duì)反應(yīng)中間體的吸附過(guò)程，從而提高電催化性能。同時(shí)，耦合太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的CO2-H2O全電池也表現(xiàn)出優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換效率（13.3%）。界面電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的納米結(jié)構(gòu)催化劑設(shè)計(jì)及電催化機(jī)理研究對(duì)于優(yōu)化催化性能和促進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)換具有重要研究意義。

　　【背景介紹】

　　傳統(tǒng)化石燃料的過(guò)度消耗，導(dǎo)致嚴(yán)重的能源危機(jī)和溫室氣體的大量排放。利用電化學(xué)方法將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品和有機(jī)燃料，不僅能夠降低大氣中二氧化碳的濃度，而且為能源的可持續(xù)發(fā)展提供了一個(gè)非常有前景的策略。

　　【研究出發(fā)點(diǎn)】

　　由于良好的催化活性和較弱的氫結(jié)合能力，金屬鉍受到眾多科研工作者的青睞。但是，由于鉍鹽易水解和金屬鉍易氧化的問(wèn)題，直接還原方法制備鉍納米結(jié)構(gòu)材料面臨較多困難，特別是氧化鉍的電催化貢獻(xiàn)仍存在爭(zhēng)議。通常，預(yù)合成的納米結(jié)構(gòu)催化劑需要涂覆在導(dǎo)電集流體上，在涂覆過(guò)程中加入的導(dǎo)電碳或非導(dǎo)電聚合物粘合劑會(huì)導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)的聚集，也影響催化活性中心的識(shí)別。因此，制備自支撐的金屬鉍納米結(jié)構(gòu)并揭示其催化性能與機(jī)理具有重要研究意義。

　　【圖文解析】

　　要點(diǎn)一：材料制備與表征

　　首先，在碳纖維表面涂覆一層聚四氟乙烯，經(jīng)過(guò)后續(xù)的焦耳熱方法處理實(shí)現(xiàn)了碳纖維的表面功能化（f-CFs）。隨后，將Bi2S3負(fù)載在f-CFs表面，在電化學(xué)驅(qū)動(dòng)下使其原位轉(zhuǎn)變?yōu)槿S鉍納米片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（BiNN-CFs）。如圖1,2所示，原位生成的鉍納米片厚度僅為4.8 nm，在其邊緣存在豐富的晶格扭曲，同時(shí)納米片相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　Figure 1.Interfacial transformation.a)The schematic illustration for the preparation of f-CFs.b)SEM image of f-CFs.c)XRD patterns and d)FTIR spectra of PTFE,CFs,and f-CFs.e)Energy band diagram at the interphase between f-CFs and Bi2S3.

　　Figure 2.Morphology characterization.a)Schematic transformation process of Bi2S3 into BiNN on f-CFs.b)TEM image of Bi2S3.c)SEM,d)TEM,and e)HRTEM images of BiNN-CFs.f)The enlarged area and g)the corresponding Fourier-filtered images.h)AFM image and corresponding height profile of BiNN-CFs.

　　要點(diǎn)二：結(jié)構(gòu)和組分的原位轉(zhuǎn)變

　　為了探究電化學(xué)轉(zhuǎn)變過(guò)程，我們利用半原位XRD，SEM，原位Raman等手段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和組分的追蹤。如圖3所示，在施加電位的最初幾秒，材料由硫化鉍迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘巽G。隨后，在f-CFs表面經(jīng)過(guò)相對(duì)緩慢的重構(gòu)過(guò)程，組裝為相互交聯(lián)的鉍納米片結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算結(jié)果表明，f-CFs表面對(duì)金屬鉍具有較高的結(jié)合能，電荷離域誘導(dǎo)金屬鉍在f-CFs表面的重構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)程。

　　Figure 3.Composition evolution.a)Ex situ XRD patterns and b)In situ Raman spectra of Bi2S3 during the reduction process.c)Di?erential charge density of Bi on f-CFs.d)Topography evolution process of BiNN-CFs nanosheets.e)EPR spectra and f)Raman spectra of BiNN-CFs and Bi NPs.

　　要點(diǎn)三：電催化性能

　　在流動(dòng)池中CO2RR性能測(cè)試表明，在-0.9V時(shí)，BiNN-CFs的甲酸法拉第效率FEHCOOH達(dá)到95.7%，在-0.5~-1.4 V的超寬電位區(qū)間內(nèi)，F(xiàn)EHCOOH依然維持在92%以上。在-1.3 V時(shí)，電流密度高達(dá)400 mA cm-2。特別地，通過(guò)優(yōu)化催化劑的載量，使其與太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)匹配，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的太陽(yáng)能到甲酸的轉(zhuǎn)化率13.8%和高的太陽(yáng)能到電能的利用率55.6%。

　　Figure 4.Electrocatalytic performance in a?ow cell.a)Schematic illustration of a?ow cell.b)LSV curves of BiNN-CFs in di?erent electrolytes.c)The partial current density for formate generation.d)Faradaic efficiency in a broad potential range.e)Comparison of Faradaic efficiency and current density in di?erent potentials applied with the reported catalysts.f)Stability test of BiNN-CFs at-0.5 and-1.4 V(vs RHE)in a?ow cell.

　　Figure 5.Solar-to-fuel conversion.a)Schematic representation of the solar-driven CO2–H2O splitting device.b)I–V curve of the solar cell and the electrochemical cell.Solar-driven CO2 reduction current density and Faradaic efficiency at c)WP1 and d)WP2,respectively.e)I–V curves of a large area Si solar cell and the electrochemical cell,and f)the corresponding current density and Faradaic efficiency of the electrochemical cell.

　　要點(diǎn)四：反應(yīng)機(jī)理研究

　　利用微分電化學(xué)質(zhì)譜揭示CO2RR過(guò)程中產(chǎn)物與電位之間的關(guān)系，同時(shí)利用原位紅外進(jìn)一步識(shí)別關(guān)鍵的反應(yīng)中間體HCOO*。理論計(jì)算結(jié)果表明，具有晶格扭曲的Bi（012）對(duì)HCOO*具有更高的吸附能，能夠顯著降低反應(yīng)的吉布斯自由能，促進(jìn)CO2的吸附和活化，從而實(shí)現(xiàn)高效電還原CO2。

　　Figure 6.In situ characterization and theoretical calculation.a)LSV curves at BiNN-CFs in the CO2-saturated 0.5 M KHCO3 with the corresponding mass fragment signals of online DEMS.b)Ion current responses of m/z=44 signal at di?erent test potentials.c)Time-dependent ATR-IR spectra for BiNN-CFs in the presence of CO2 or Ar.d)Reaction pathways of CO2RR.e)Calculated Gibbs free energy diagrams of CO2RR on Bi(012)with and without lattice distortion.f)Partial density of states for s,p,and d orbitals of the catalysts and s,p orbitals of the O atoms of HCOO*absorbed on the catalyst surface.

　　【總結(jié)與展望】

　　本文運(yùn)用焦耳熱處理方法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行功能化，充分發(fā)揮Bi2S3與f-CFs表面間的相互作用，通過(guò)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)合成了功能碳纖維負(fù)載的三維鉍納米片（BiNN-CFs）。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算有機(jī)結(jié)合，揭示了原位界面反應(yīng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)與形貌的轉(zhuǎn)變規(guī)律。作為電催化劑，BiNN-CFs表現(xiàn)出了優(yōu)異的二氧化碳還原催化性能。理論模擬計(jì)算揭示結(jié)構(gòu)重構(gòu)的鉍納米片邊緣具有豐富的缺陷結(jié)構(gòu)，能夠顯著調(diào)控p帶電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化反應(yīng)中間體的吸附，實(shí)現(xiàn)高效的二氧化碳電催化還原。同時(shí)，集成的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的CO2-H2O電解池展現(xiàn)出了優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)化效率。該研究工作通過(guò)理解電化學(xué)調(diào)控界面轉(zhuǎn)變規(guī)律設(shè)計(jì)高效電催化劑，為進(jìn)一步耦合太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)高效清潔能源利用具有重要研究意義。

　　【論文信息】

　　參考文獻(xiàn)：

　　Wulan,B.,Zhao,L.,Tan,D.,Cao,X.,Ma,J.,Zhang,J.,Electrochemically Driven Interfacial Transformation For High-Performing Solar-To-Fuel Electrocatalytic Conversion.Adv.Energy Mater.2022,2103960.

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1002/aenm.202103960

　　課題組長(zhǎng)簡(jiǎn)介：

　　張進(jìn)濤教授（博導(dǎo)）,山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，物理化學(xué)電化學(xué)研究所,入選山東省“泰山學(xué)者”青年專家、海外高層次人才項(xiàng)目、省杰青。擔(dān)任電化學(xué)、Nano Research、eScience、Chinese Chemical Letters等期刊青年編委。該課題組圍繞界面電化學(xué)與原位表征技術(shù)中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開展新型電極材料表界面功能化設(shè)計(jì)與電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換機(jī)理方面的研究工作。至今已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Science Advances、Energy&Environmental Science等國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表SCI論文90余篇，被引用11 800余次（H-index為47）。

　　研究方向：

　　以電化學(xué)方法和技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)能源轉(zhuǎn)換界面電化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索與理論闡釋，理解闡明電極結(jié)構(gòu)與性能間的構(gòu)效關(guān)系，構(gòu)建高效、清潔能源轉(zhuǎn)換器件。包括以下研究方向：

　?。?）能源轉(zhuǎn)換界面的理性設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。結(jié)合原位光譜技術(shù)揭示復(fù)合材料的儲(chǔ)能機(jī)理，指導(dǎo)新型復(fù)合儲(chǔ)能材料的制備及其應(yīng)用（如金屬空氣電池、鋰-碘電池、超級(jí)電容器等）；

　　（2）非貴金屬催化劑的創(chuàng)新性合成與應(yīng)用。設(shè)計(jì)合成高催化活性的多功能催化劑，用于金屬空氣電池、電化學(xué)二氧化碳還原、燃料電池、電催化制氫產(chǎn)氧等。

　　課題組招收電化學(xué)、能源材料化學(xué)、界面電化學(xué)方向博士后和科研助理

　　崗位待遇：

　　1.根據(jù)研究背景及成果，年薪20-40萬(wàn)，課題組將根據(jù)個(gè)人工作能力和科研成果給予科研獎(jiǎng)勵(lì)；

　　注:（1）具有良好科研背景的博士后入站后可直接給予10萬(wàn)元績(jī)效，優(yōu)秀博士后出站可以留校任教；（2）如果對(duì)待遇有任何想法，非常歡迎提出你自己希望的薪資待遇；

　　2.提供優(yōu)良的工作環(huán)境，享受五險(xiǎn)一金，其它福利待遇參照正式職工；

　　3.作為負(fù)責(zé)人積極申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金及省、市各級(jí)課題；

　　4.表現(xiàn)優(yōu)異且有意在山東大學(xué)繼續(xù)發(fā)展者，可聘為助理研究員或副研究員。符合條件的可以申請(qǐng)山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者等獲得相應(yīng)人才補(bǔ)貼。

　　聯(lián)系方式：

　　jtzhang sdu.edu.cn

　　課題組網(wǎng)站：

　　https://faculty.sdu.edu.cn/ees/zh_CN/index.htm