近日，低碳能源研究院新能源材料研究团队教师梁华根博士、闫爱华博士以第一作者先后在国际知名学术期刊Applied Catalysis B: Environmental（影响因子：11.698,一区Top期刊）上发表研究论文，题目分别为“A novel NiFe@NC-functionalized N-doped Carbon Microtubule Network Derived from Biomass as a Highly Efficient 3D Free-standing Cathode for Li-CO2 Batteries”、“Efficient Photocatalytic H2 Evolution Using NiS/ZnIn2S4 Heterostructures with Enhanced Charge Separation and Interfacial Charge Transfer”。
1、基于生物质硬模板法制备低成本、高电流密度锂离子正极材料
Li-CO2电池具有固定CO2和高效能量储存的双重特性，被认为极具应用前景，但充放电过电位高、循环寿命短是制约其发展的瓶颈。过渡金属（Cu、Fe、Co、Ni等）均具有良好的电催化CO2还原，遗憾的是，相对于贵金属催化剂，采用过渡金属催化剂的Li-CO2电池过电位依然较大、电池性能还有待提高。此外，在放电过程中，不溶性放电产物Li2CO3、C会逐渐累积在正极表面及其孔道中，导致气体/电解液扩散受阻、催化活性位点被覆盖，因此，设计高效传质的电极结构也是改善电池性能的关键。
梁华根博士和其合作者信控学院荆胜羽副教授及希腊色萨利大学Panagiotis Tsiakarase教授首次提出利用具有天然多孔结构的生物质为原材料，原位沉积普鲁士蓝类似物，通过热解碳化，构筑了具有三维自支撑结构的NiFe@NC/PPC电极，可直接用作Li-CO2电池的正极。研究表明，在电流密度为0.05 mA cm-2下，采用该正极材料的Li-CO2电池比容量可达到6.8 mAh cm-2，且可稳定循环109次，这主要归因于催化剂与载体之间的强协同作用。同时，作者还对充放电前后的电极材料进行表征，发现NiFe纳米粒子对催化Li2CO3的分解具有良好的催化活性。该项工作将废弃生物质的资源化利用及高效储能系统相结合，具有成本低廉，工艺简单等优点，提供了一种Li-CO2电池商业化的可行途径。
以柚子皮为原料制备的NiFe@NC/PPC电极
2、基于三元过渡金属硫属化合物异质结材料：光生载流子高效分离和快速传输的产氢催化剂
过渡金属硫属化合物（TMCs）异质结因电子周期性势垒所形成的原子级陡峭势场梯度，导致TMCs异质结载流子分离能力和光活性显著提升，有望在光催化制氢领域获得广泛应用。然而，如何廉价地、可控地制备高质量TMCs异质结，如何重构TMCs异质结表面结构和界面结构以提供光生载流子有效传输路径及扩散通道，如何深入洞悉TMCs异质结光生载流子行为等工程和科学问题仍是行业内的巨大挑战，相关研究成为近三年行业内最热门的前沿课题。
基于以上研究现状及面临的问题，闫爱华博士和日本大阪大学著名光化学领域专家Tetsuro Majima教授合作，以NiS和ZnIn2S4作为TMCs研究对象，采用溶剂热/光沉积两步技术成功制备了NiS/ZnIn2S4异质结，结果发现：相对纯ZnIn2S4体系，NiS/ZnIn2S4异质结的光吸收和光催化效率明显提升，在420纳米单波长光辐照下，析氢速率达到了5 µmol h-1，是纯相体系的三倍，时间分辨扩散反射光谱、瞬态光电流、表观量子效应和界面阻抗研究发现，两步法制备的NiS/ZnIn2S4体系因构筑了完美的界面，使得载流子传输更快、电子-空穴复合速率更低，最终导致了载流子的分离效率明显提升。这项工作在没有任何贵金属助催化的情况下，利用异质结优异电荷传输特性和协同作用的光谱吸收，显著提高了ZnIn2S4的光催化制氢性能。
（文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337318311330,https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337319301997）
