導(dǎo)讀
近日，東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長朱廣山教授團(tuán)隊(duì)的常進(jìn)法教授、邢子豪副教授在能源小分子電催化領(lǐng)域取得系列重要進(jìn)展。能源是人類文明和工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，也是國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng)化石燃料能源的快速消耗不僅加劇了全球能源危機(jī)，同時(shí)導(dǎo)致了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。在我國“雙碳”目標(biāo)的指引下，推動(dòng)清潔電化學(xué)能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，如電解池、金屬-空氣電池、燃料電池等，將為人類擺脫對傳統(tǒng)化石能源的依賴、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型提供重要途徑。然而，電化學(xué)能源在大規(guī)模應(yīng)用過程中仍面臨諸多瓶頸，重點(diǎn)體現(xiàn)在電極材料性能有限、活性不足、穩(wěn)定性差、資源依賴、能量轉(zhuǎn)換效率低、成本與規(guī)模化制造等。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)具有低成本、高效率、長壽命的電極/催化劑材料是推動(dòng)電化學(xué)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)需要解決的主要問題。針對上述問題，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出系列適合電解水、金屬-空氣電池、超級電容器的高效穩(wěn)定電極材料，相關(guān)成果先后發(fā)表于
J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等國際知名期刊。
圖1. 水電解析氧反應(yīng)尖晶石催化劑的設(shè)計(jì)及電催化性能
電解水技術(shù)可綠色高效制取氫氣，作為電解水的陽極半反應(yīng)，氧氣析出反應(yīng)（OER）高度依賴銥基貴金屬催化劑。過渡金屬氧化物電催化劑在酸性條件下進(jìn)行OER時(shí)存在不穩(wěn)定性問題，極大限制了它們在質(zhì)子交換膜電解水（PEMWE）中的應(yīng)用。為應(yīng)對該挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)將Co3O4中的部分Co替換為Ni和Ru調(diào)整其尖晶石結(jié)構(gòu)（如圖1），充分利用Co3O4中四面體和八面體位點(diǎn)之間的協(xié)同作用增強(qiáng)OER電催化活性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，Ru是雙原子氧機(jī)制中的活性位點(diǎn)，而Ni則穩(wěn)定晶格氧和Ru?O鍵。NiRuCoOx催化劑表現(xiàn)出極低的OER過電位（166 mV@10 mA cm?2）。在PEMWE器件上達(dá)到3 A cm?2的電流密度僅需1.72 V，滿足美國能源部（DOE）設(shè)定的2026目標(biāo)（<1.8 V@3 A cm?2）。PEMWE裝置可穩(wěn)定運(yùn)行1500小時(shí)，性能衰減率僅為0.025 mV h?1。該工作為開發(fā)低成本高效酸性水電解催化劑提供了可行借鑒，相關(guān)成果以“Tailoring octahedron-tetrahedron synergism in spinel catalysts for acidic water electrolysis”為題，發(fā)表于國際知名期刊J. Am. Chem. Soc.；論文第一作者為我?；瘜W(xué)學(xué)院博士研究生霍孟田，通訊作者為我?；瘜W(xué)學(xué)院常進(jìn)法教授、邢子豪副教授以及美國中佛羅里大學(xué)楊陽教授。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請中國專利，申請?zhí)枺?02410593475X。此外，團(tuán)隊(duì)在水電解方面的相關(guān)系列工作先后發(fā)表于Small, 2025, 13, 2412729; Nano Res. 2025, 18(3), 94907243; ChemCatChem, 2025, 17(6), e202401950, Green Carbon, 2024, 2 403-404等。
NH4+超級電容器由于其低成本、高安全性、環(huán)境可持續(xù)性和高效的電化學(xué)能量存儲(chǔ)能力，為未來的發(fā)展提供了較大潛力。目前的電極材料普遍存在層間距小、空間位阻大、充放電過程中活性位點(diǎn)與NH4+的可及率低，難以獲得高容量電荷儲(chǔ)存。此外，充放電過程中NH4+大量在層間運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響了電極材料穩(wěn)定性。為此團(tuán)隊(duì)首次利用富含端氧位點(diǎn)的keggin型多金屬氧酸鹽{PMo12}作為活性中心，通過將其穩(wěn)定限制分散在小孔徑的Ag-BTC外表面，合成電極材料{PMo12}@Ag-BTC，實(shí)現(xiàn)NH4+與{PMo12}端氧位點(diǎn)的可及性，有效加快充放電的動(dòng)力學(xué)過程。如圖2，{PMo12}@Ag-BTC作為電極材料表現(xiàn)出明顯的贗電容控制表界面儲(chǔ)能過程，1 A g-1電流密度下的電容值為619.4 mAh g-1。組裝的{PMo12}@Ag-BTC//{PW12}@Ag-BTC器件在20,000次循環(huán)測試中保持穩(wěn)定，并在1.5 A g-1電流密度下獲得了125.3 Wh kg-1的能量密度。該工作為多金屬氧酸鹽在NH4+超級電容器電極材料設(shè)計(jì)方面提供了新思路。相關(guān)成果以“Interface Storage Mechanism in Aqueous Ammonium-Ion Supercapacitors with Keggin-type Polyoxometalates-Modified Ag-BTC”為題，發(fā)表于國際知名期刊Adv. Mater.；論文的第一作者為我?；瘜W(xué)學(xué)院博士研究生梁宇；通訊作者為我校化學(xué)學(xué)院常進(jìn)法教授、朱廣山教授以及邢子豪副教授。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請中國專利，申請?zhí)枺?02410593017.6。此外，團(tuán)隊(duì)在超級電容器方面相關(guān)系列工作還發(fā)表于Green Carbon, 2024, 2, 320-321等。
圖2. {PMo12}@Ag-BTC 的合成及超級電容器性能
氧電催化，包括氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER），作為鋅空氣電池（ZABs）陰極充放電過程的主要反應(yīng)，涉及四電子轉(zhuǎn)移過程，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)仍然受到極大限制。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的FeADCoNPs@NC，該催化劑中的Fe具有兩種存在形式，嵌插于Co晶格中的原子分散位點(diǎn)和負(fù)載于N-C的Fe-N1位點(diǎn)。Co晶格中的Fe位點(diǎn)促進(jìn)了鈷納米顆粒向無定形CoOOH的轉(zhuǎn)化，而Fe-N1則作為ORR的主要活性位點(diǎn)。當(dāng)其作為鋅空氣電池的空氣電極使用時(shí)，F(xiàn)eADCoNPs@NC表現(xiàn)出247.49 mW cm?2的功率密度。該工作揭示了一種有效結(jié)合單原子位點(diǎn)與屬納米粒子之間的協(xié)同作用以高效提升氧電催化性能的方法。相關(guān)成果以“Synergistically Promoting Oxygen Electrocatalysis through the Precise Integration of Atomically-dispersed Fe Sites and Co Nanoparticles”為題，發(fā)表于國際知名期刊Adv. Energy Mater.；論文的第一作者為我校化學(xué)學(xué)院博士研究生霍孟田；通訊作者為我?；瘜W(xué)學(xué)院常進(jìn)法教授、朱廣山教授以及邢子豪副教授。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請中國專利，申請?zhí)枺?02410598685.8。此外，團(tuán)隊(duì)在金屬-空氣電池方面的相關(guān)系列工作先后發(fā)表于Nano Res. 2025, 18(2), 94907195; J. Energy Chem., 2025, 104, 127-135; Sep. Purif. Technol, 2025, 361, 131644; Sci. China Mater., 2024, 67, 4005-4012等。
圖3. FeADCoNPs@NC的合成、表征及性能
以上研究成果得到基金委優(yōu)青項(xiàng)目（海外）、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青基項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、我校啟動(dòng)基金等的大力支持。
常進(jìn)法教授自2023年加入化學(xué)學(xué)院以來，作為通訊作者已在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等頂級期刊發(fā)表論文12篇，申請中國專利3項(xiàng)，獲批基金委面上項(xiàng)目、省科技廳面上項(xiàng)目等。此外，常進(jìn)法教授先后獲第九屆中國電化學(xué)青年獎(jiǎng)（2024年）、《Nano Research》期刊優(yōu)秀編委（2024年）、《Green Carbon》期刊優(yōu)秀青年編委（2024年）、Wiley SCINEXT青年獎(jiǎng)（2024年）、中國化學(xué)會(huì)納米能源研究學(xué)術(shù)新星獎(jiǎng)金獎(jiǎng)（2023年），同時(shí)作為多酸與網(wǎng)格材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的骨干成員，獲吉林省第三批高?！包S大年式教師團(tuán)隊(duì)”等榮譽(yù)。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00665
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415545
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202405155
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https://www.sciopen.com/article/10.26599/NR.2025.94907243
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586625002412
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https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.202401950
https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-024-3126-1
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950155524000570
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950155524000454
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