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南科大材料系谷猛课题组在《能源环境科学》发表能源转化存储最新研究成果

2019-09-16

        近日,我校材料科学与工程系(简称“材料系”)教授谷猛课题组积极结合应用冷冻电镜技术,在能源转化和能源存储领域取得了一系列创新性的研究成果。该研究成果聚焦改善日益严重的能源短缺问题,近期发表于国际著名学术期刊《能源环境科学》(Energy & Environmental Science)和《自然-通讯》(Nature Communications)上。


 

低成本高效单原子催化剂开发

        作为当前能源利用与转换中一个重大课题,探索低成本、高效的水裂解制氢反应电催化剂具有重要意义。目前,贵金属铂仍然是使用最频繁的催化剂,然而铂的高成本和有限的储量阻碍了铂基催化剂的大规模应用。因此,在不牺牲催化剂活性的前提下,降低催化剂中铂的用量是一个迫切的需求。

        具有独立催化位点的单原子催化剂为解决上述问题提供了一种新的途径。然而,苛刻的制备条件和过量的前体通常会导致团聚现象的产生,阻碍单原子催化剂的稳定性。

        针对这个问题,谷猛课题组首次提出了一种简便的制备方法,采用苯胺锚定和微波还原等技术手段,得到了完全分散在石墨烯上的铂原子位点。这些分散的铂原子位点最大限度地利用了铂的催化性能,从而大大降低了铂的用量,显著提高了铂的质量活性。实验结果表明,在铂的用量降低到商业铂碳催化剂的1/50的条件下,仍然能达到商业铂碳催化剂的性能。同时,苯胺锚定可以防止铂原子在催化过程中聚集,从而提高了催化剂的稳定性。


采用冷冻电镜观测铂单原子(图中亮点位置为铂单原子所在位置,标尺为2nm)


        在对铂单原子催化剂的研究中,采用普通的透射电镜对铂单原子进行观测时,铂单原子容易在电子束的轰击下脱落,进而造成样品的损坏。冷冻电镜为观测铂单原子提供了有利条件,保持了样品的完备性,使得观测工作能顺利展开。

        这项工作为开发单原子催化剂开辟了新的途径,同时促进了对单原子催化剂的催化性能新的认识。相关研究工作发表在Energy & Environmental Science(IF>30)上,并入选2019年期刊热点文章。

        此项工作由谷猛课题组和深圳大学刘建洪、加拿大孙学良教授课题组合作完成,以共同通讯作者身份发表。 

        论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c8ee02888e#!divAbstract

 

新型高性能离子电解质的研究

        高能可充电电池系统已被广泛应用于便携式电子产品、电网储能和电动汽车工业,但是近年来,电池起火甚至爆炸的事故频繁发生。因此,在高能量下电池的安全性变得越来越重要。

        使用可燃有机电解质的可充电电池在发生短路或热失控时,总是有起火和爆炸的危险,这成为电池设计的瓶颈。设计具有更高安全性的下一代电池系统,要求在电解质本质上进行创新。开发本质上不易燃的新型电解质系统正符合这一要求。其中,室温离子液体(Ionic Liquids,ILs)由于其不易燃的特性,已被广泛地作为新型电解质的候选材料。

        谷猛课题组和斯坦福戴宏杰教授课题组设计并开发了一种基于氯化铝/1-甲基-3-乙基咪唑/氯化钠离子液体组成的氯铝酸盐离子液体电解质。以这种离子液体电解质为基础制得的可充电钠金属电池具有良好的性能,电池电压高达~ 4v,库仑效率高达99.9%,能量和功率密度分别为~ 420 Wh kg -1和~ 1766 W kg-1。经过700次循环后,电池仍保持了90%以上的原始容量。实验结果表明,这种不易燃、高导电性的离子液体电解质可以作为钠电池制备中的一种极具前途的候选材料。该材料具有高安全性和高性能,并有可能扩展到其他的可充电电池系统,如锂电池和钾电池等。


冷冻电镜分析SEI膜的组成


        在液态离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是碱金属离子的优良导体,碱金属离子可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”(Solid Electrolyte Interphase),简称SEI膜。SEI 膜在稳定碱金属负极与电解质的界面方面起着至关重要的作用,其形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。因此,深入研究SEI膜的形成机理、组成结构、稳定性及其影响因素,并进一步寻找改善SEI 膜性能的有效途径,一直都是世界电化学界研究的热点。

        在这项关于离子液体电解质的研究中,由于离子液体电解质的特殊组成,其SEI膜的化学性质可能与传统有机电解质不同。课题组利用冷冻电镜对离子液体电解质构成的电池体系中产生的SEI膜进行了深入分析。实验结果表明,在该离子液体电解质中反应得到的SEI膜由多种成分构成,其主要成分为NaCl、Al2O3和NaF。此研究结果对未来从电解液和SEI膜角度设计具有高安全性和高能量密度的实用钠金属电池具有重大的指导意义。

        此项工作由谷猛课题组和斯坦福大学戴宏杰实验室合作完成。研究成果近期在Nature Communications发表。 

        论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11102-2 

 

冷冻电镜技术将带来更大的发展

        课题组此次的冷冻电镜技术研发工作由谷猛、课题组成员王琦和祝远民共同完成,也得到了皮米中心和冷冻电镜中心主任何佳清教授与王培毅教授的大力支持。


谷猛(右二)和研究助理教授祝远民(左二)


        冷冻电镜(Cryo-TEM)最早应用于生命科学领域,成为解析生物大分子三维结构的有力工具。随后,这项技术的应用被拓宽到新材料以及新能源等研究领域,其应用正式迎来了井喷式发展阶段。南方科技大学皮米电镜中心和冷冻电镜中心分别于2017年和2018年举行揭牌仪式,是目前我国配套最齐全、最先进的材料和冷冻电镜实验室之一。

        作为由南方科技大学牵头建设的重大基础科学设施公共平台,冷冻电镜中心在投入使用后不断发挥其对校内外重大科研基础研究的支撑作用,助推南科大、深圳市及粤港澳大湾区的生命科学、生物医药、新材料、新能源等领域的研究工作。


        原文来源:https://newshub.sustech.edu.cn/zh/html/201909/26719.html