近日，我院新能源研究所郁志新团队围绕“双碳”总目标，开发了系列多功能高效电催化剂，在电解水制氢、气体污染物C-N偶联产尿素等领域有重要应用潜力，相关结果在《Journal of Materials Chemistry A》, 《Energy & Fuels》等一区TOP期刊，关于电化学CO₂还原的工作综述发表在清洁生产领域高影响力期刊《Journal of CO₂ Utilization》。

第一作者：卢松

通讯作者：卢松 (绍兴文理学院)，郁志新 (绍兴文理学院)  

发表期刊：Journal of Materials Chemistry A

期刊Impact Factor：11.9

第一单位：绍兴文理学院

论文DOI: 10.1039/D4TA02463J

　　开发高性能的HER/OER/ORR电催化剂用于水分解产氢以及燃料电池具有重要意义。在这个工作中,通过密度泛函理论计算预测了一种新型的卟啉(以噻吩作为连结剂)催化剂。得到了Co, Rh和Ir-N4/TP催化剂表现出对OER/ORR低的过电势。其中Co-N4/TP表现出0.07/0.24/0.42 V过电位,能够作为一种三功能催化剂用于水全分解和氧还原反应。反应动力学能垒表明Co-N4/TP遵循Volmer-Heyrovsky机制。此外,在这三种催化剂上,二电子反应产物H₂O₂也能够被抑制。催化剂的稳定性通过结合implicit solvent与constant potential methods来评估。结果表明在实际工况下-1.50 V (vs. RHE),金属原子并不会发生团聚,表明了优异的稳定性。在活性起源方面,金属中心的氧化,体系磁性与OER/ORR催化活性密切相关。最终通过机器学习对本征性质进行优化,得到d带中心与HER 性能相关,但在OER/ORR,每个中间产物对应的本征性质是变化的。

图1. OER/ORR反应过程,反应过电位,反应吉布斯自由能变

图2. OER/ORR反应中间产物自由能变的标度关系,过电位的火山图

第一作者：卢松

通讯作者：卢松 (绍兴文理学院)

发表期刊：Energy & Fuels

期刊Impact Factor：5.3

第一单位：绍兴文理学院

论文DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c01378

　　当前尿素是通过CO₂与NH3在高温高压条件下合成的,这一过程不仅耗能极大且不环保。因此,探索高性能的电催化剂在常温常压下用于尿素合成具有重要意义。在这个工作中,基于密度泛函理论计算,作者构建了一系列双原子催化剂,以两种气体污染物(NO与CO)作为N源与C源进行C-N偶联产尿素。结果表明稳定吸附的NO与CO能够促进C-N偶联以及连续的氢化反应。通过筛选, CoZn, CoCu, and FeZn@N6/C催化剂能够持续的接受质子/电子对,实现尿素的生成,分别表现出−0.27,−0.30,和−0.60 V的过电位。同时尿素产生是遵循alternative机制。此外,引入溶剂化效应与恒电势模型探索了在真实反应条件下C-N耦合动力学能垒,只有0.75eV。竞争性反应如HER与NRR也得到了很好的抑制。因此表现出产尿素的高选择性在这三种电催化剂上。

图1. NO与CO偶联产尿素路径,吸附能

图2. NO与CO偶联产尿素反应自由能变与对应的结构

综述论文

第一作者：卢松

通讯作者：Sachin Maruti Chavan (University of Stavanger), 郁志新 (University of Stavanger)

发表期刊：Journal of CO₂ Utilization (中科院2区)

期刊Impact Factor：7.7

第一单位：绍兴文理学院

论文DOI: 10.1016/j.jcou.2024.102690

　　电化学CO₂还原是一种有前途的实现碳中和的技术。近年来研究表明，由于具有电子结构可调、原子利用率高、活性位点均匀等优点,过渡金属原子作为单原子催化剂被广泛用于电催化CO₂还原。在各种还原产物中，CO是一种重要的化学原料，可用于一些重要的过程,如费托生产一系列的化学品和燃料。然而,很少有相关的文献关注过渡金属原子作为电催化CO₂到CO的单原子催化剂。因此我们对最近几年关于金属原子催化剂用于电催化CO₂到CO进行一个简短综述。首先,我们强调了单原子和CO产物的优势。然后,我们总结了CO₂到CO中单原子(Mn, Fe, Co, Ni, Cu和Zn)的最新进展，重点介绍了活性中心的构型。最后,对CO₂到CO过渡金属单原子的未来发展提出了建议。

第一作者简介

　　卢松，化学化工学院教师，2023年10月博士毕业于University of Stavanger，同年12月加入绍兴文理学院化学化工学院新能源研究所。曾获得2022年国家优秀自费留学生奖学金。主要研究方向为基于密度泛函理论计算催化反应。以第一作者在Small，ChemSusChem， Journal of Materials Chemistry A等期刊发表多篇论文。