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美国波士顿学院王敦伟教授课题组近年来重要工作概览——从氧的化学反应到能源的转化与存储

王敦伟教授简介


王敦伟,现任美国波士顿学院教授;2000年毕业于中国科学技术大学获学士学位,2005年毕业于美国斯坦福大学获博士学位,2005-2007年在美国加州理工学院从事博士后研究,2007年加盟美国波士顿学院;迄今为止,已在包括Nat. Commun.、Proc. Nat. Acad. Sci. USA、Chem、ACS Cent. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等国际著名期刊发表高水平论文120余篇。王敦伟教授先后获得国际理论与应用化学联合会青年化学家奖、国家科学基金会事业奖、马萨诸塞州清洁能源中心催化剂奖、斯隆基金会研究学者奖以及日本学术振兴会研究学者奖等。王敦伟教授的研究工作主要集中在能源的转化与存储方向,该研究以氧的化学反应为核心,贯穿了从新材料制备到材料物理化学性质的研究,再到材料实际应用等方面。

王敦伟教授


(一)应用于光能转化反应的电极材料研究


太阳能是大自然赋予人类宝贵的财富,利用半导体材料来进行光能转化已逐渐成为重要的研究课题。氧化铁(Fe2O3)作为一种稳定、廉价的金属氧化物在光电分解水领域受到了广泛的关注。王敦伟教授团队通过多次重复溶液法对氧化铁进行改善,使氧化铁表面的结构缺陷大大减少,同时使费米能级显著负移。该团队进一步通过引入NiFeOx催化剂有效减少了费米能级钉扎效应,将氧化铁的光电压提高至0.80 V。改善后的光阳极能够与非晶态硅光阴极串联,在没有外加电压的情况下实现了自发的光解水反应。相关成果发表在Nat. Commun.上(Nat. Commun., 2015, 6, 7447)。

图1. 表面修饰氧化铁材料的性能研究


氮化钽(Ta3N5)是另一种极具前景的光阳极材料,但其光氧化水性能受限于发生在氮化钽与水之间的自氧化副反应。王敦伟团队发现,在氮化钽纳米管阵列上,通过水热的方法沉积氢氧化钴纳米薄片可以有效提高氮化钽的稳定性。修饰后氮化钽的光电流密度会随着光氧化水的时间缓慢提高,但在没有光照的情况下这种现象却不会发生。研究表明,这是由于在氮化钽和氢氧化钴之间产生了一个由光诱导形成的界面,该界面减弱了费米能级钉扎效应,从而改善了光激发电子和空穴对在表面的复合,进而减少了自氧化副反应的发生。相关成果发表在Cell Press旗下的能源期刊Joule 上(Joule, 2017, 1, 831)。

图2. 表面修饰氮化钽材料的性能研究


(二)应用于光能转化反应的新型催化剂的制备


为了更加有效地将太阳能转化为电能,在电极材料表面改性的基础上,人们还可以通过引入催化剂来进一步提高光电转化效率。王敦伟团队开创性地提出了“双原子催化”的概念,意在桥接“单原子催化”和“纳米团簇催化”两大主流方向并取长补短。该团队联合耶鲁大学、清华大学、加州大学欧文分校、塔夫茨大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、德国于利希研究中心和南京大学的学者,共同开发出新型铱基双原子催化剂用于光电分解水反应。

图3. 氧化铁表面铱基双原子催化剂


王敦伟团队将铱元素的双核金属有机前驱体固着在氧化物载体表面,并通过光化学的方法温和地消除有机配体,有效抑制了金属原子的团聚。研究发现,当选用氧化铁为载体时,两个原子得以同时与载体结合并且具有相似的配位环境。相反,当选用氧化钨为载体时,双原子倾向于仅一端与载体相连而另一端悬浮。通过进一步研究,该团队将两种催化剂性能的提升归结为两个金属原子间的协同作用以及各自特殊的配位环境。该系列工作先后发表在Proc. Nat. Acad. Sci. USAPNAS, 2018, 115, 2902)和ACS Cent. Sci.上(ACS Central Sci., 2018, 4, 1166),并受到广泛关注。

图4. 氧化铁与氧化钨表面铱基双原子催化剂的不同键合模型


(三)应用于“后锂离子时代”的新型储能技术研究


在对太阳能等可再生能源进行有效转化后,人们还需对电能进行合理的储存。电池技术在能源存储领域中占有举足轻重的地位。相比于传统的锂离子电池,非质子型Li-O2电池具有高于锂离子电池5-10倍的理论能量密度,因而被誉为未来接替锂离子电池的希望之星。然而,Li-O2电池的稳定性受制于电池工作过程中严重的副反应,尤其是电解液的降解,使该项技术无法实现真正的产业化应用。

图5. “water-in-salt”电解液显著提高Li-O2电池的稳定性


近日,针对Li-O2电池电解液稳定性的瓶颈问题,王敦伟团队将一种完全不含有机溶剂分子的新型水系电解液“water-in-salt”应用于Li-O2电池,不但排除了有机溶剂降解的困扰,还保持传统非质子型Li-O2电池的工作机理。当使用碳正极材料时,“water-in-salt”电解液相比传统电解液可显著提高电池的可逆性。该团队进一步结合以往的研究成果,通过采用非碳正极材料配合“water-in-salt”电解液,使Li-O2电池在1000 mAh/g的大可逆容量下取得了高达300次以上的循环次数。相关工作以封面形式发表在Cell Press旗下的Chem上(Chem, 2018, 4, 1345)。


(四)从能源转化与存储看能源领域的未来


放眼未来,将可再生能源与可再生资源相结合,不失为一种解决能源需求行之有效的手段。在王敦伟团队看来,从太阳能到化学键键能的转化将成为能源领域未来研究的核心。作为可再生资源的代表,甲烷(CH4)的选择性氧化在工业流程中具有举足轻重的地位。由于甲烷分子中的C-H键具有极高的化学稳定性,一经激活便极易直接氧化为最终产物二氧化碳,而无法得到有效利用。在温和条件下对甲烷进行选择性氧化是当前研究人员高度关注的科研难题。

图6. 采用光电化学方法高选择性转化甲烷制备一氧化碳


有鉴于此,王敦伟教授团队近期报道了利用光电化学的方法实现高选择性甲烷氧化的过程,并得到以一氧化碳为主的反应产物。光化学有助于在温和条件下对甲烷进行活化,该团队通过原子层沉积(atomic layer deposition)制备得到的二氧化钛作为光阳极材料,在低温下获得了高达81.9%的一氧化碳选择性。相关工作发表在ACS Cent. Sci.上(ACS Cent. Sci., 2018, 4, 631)。该工作还为未来能源领域的研究提供了新思路。


以上内容为王敦伟教授团队近年来具有代表性的研究成果,更多信息可参见该课题组的网站(https://www2.bc.edu/dunwei-wang/  )。王敦伟教授团队欢迎有志于科学研究,并对能源方向感兴趣的能人志士加盟。


导师介绍

王敦伟

https://www.x-mol.com/university/faculty/2156


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