新能源及光/电催化材料团队

团队负责人:王文龙

职务/职称

◆ 松山湖材料实验室主任助理、催化材料团队负责人
◆ 中国科学院物理研究所研究员,博士生导师

研究方向

研究工作注重凝聚态物理与化学的交叉融汇,主要研究方向为轻元素低维材料的化学与物理,包括轻元素碳(C)/氮化硼(BN)/三元硼碳氮(B-C-N)体系低维材料的控制合成、掺杂与化学修饰、电子结构调控与电输运性质、自旋态调控与磁性,以及光/电催化过程中的表界面化学物理问题等。

学习/工作经历

◆ 1999年毕业于山东大学化学系
◆ 2004年在中国科学院化学研究所获物理化学博士学位,其后到中国科学院物理研究所从事博士后研究
◆ 2006年出站后留物理所工作至今
◆ 2006-2008年在日本国立材料科学研究所(NIMS)进行访问研究
◆ 2019年任松山湖材料实验室主任助理、催化材料团队负责人

团队成员

团队负责人:王文龙

团队成员:张帆、蔡乐娟、兰莹莹、艾远飞、李人杰

 

团队简介

项目介绍

能源问题是当今社会所面临的一个重大问题。化石能源在目前的能源结构中占据了以上的比重,一方面,化石能源的利用产生了大量的污染性气体,对环境造成极大的破坏;另一方面,随着人类开采和利用的规模逐步提升,化石能源的短缺和枯竭正逐渐变为现实。因此,寻找一种安全的,绿色的可替代能源成为了一种必然。

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,具有分布广泛,环保无污染等优势,被公认为最合适的替代能源。光电催化(PEC)水分解是利用太阳能制备燃料的理想途径之一,它利用吸光电极材料,加少量电能辅助,就能实现光驱动的水分解,是有效应对目前能源与环境问题的方法。氨是世界上生产和消费最多的化学品之一,也是维持人类生命最基本的合成化学物质之一。主要通过工业上的哈伯合成氨工艺,但是这种工艺能耗高、污染严重且转化率低。目前,电化学合成氨法因可实现氨的常温常压合成而备受关注。催化CO2还原被认为是最具有应用前景的CO2转化技术之一。现有催化材料和反应体系仍然面临着反应过电位大、转化效率低、产物选择性不理想等一系列问题。开发高效新型催化剂来提升反应效率和选择性是电催化CO2还原亟需解决的关键科学问题另外,由于太阳能是一种间歇式、分散式的能源,难以进行直接储存,因而限制了其更为广泛的应用。

本项目将进一步探索基于的光电化学能量转换与储存体系,实现以化学能形式对太阳能进行直接储存,并且能够随时随地的将化学能转化为电能加以利用。多电子是储能器件走向高比能的必由之路,多电子过程带来过电位高、动力学过程缓慢和可逆性差的问题,高效催化剂是解决问题的根本。 

 

项目意义

能源短缺和环境污染这两大问题是人类社会实现可持续发展的迫切需要,光电催化材料与技术是当前世界上公认的能够“同时解决环境和能源问题”的领域中最具有应用前景的新技术之一。它不仅能够分解水制氢,将太阳能或电能转换为氢能,还能实现常温常压下利用氮气合成氨,而且能够模拟光合作用将CO2转换为碳氢燃料和氧气。相应的催化剂作为光电催化技术的重要组成部分近年来成为能源与材料领域的研究热点。水分解所涉及的析氢与析氧的两个半反应都是多电子过程,要获得足够大的反应速度,不仅需要克服热力学壁垒,还需要额外的能量来克服动力学上的势垒,即析氢与析氧反应过电位。传统的Pt系贵金属的过电位较低,具有很好的分解水性能,但是价格昂贵,因此,研究开发高效的非贵金属析氢与析氧催化剂是水分解研究的关键科学问题。氮活化涉及非常强的三键(N≡N)断裂,在动力学上难于进行,且析氢电位和氮还原电位非常接近,析氢作为竞争反应会严重制约氮还原合成氨的效率,必须使用电催化剂以降低其电解过程中需要的高能量消耗。

目前,如何提高产氨速率的同时提升催化剂的选择性是常温常压下电催化氮还原研究面临的最大挑战。电催化CO2还原被认为是最具有应用前景的CO2转化技术之一。现有催化材料和反应体系仍然面临着反应过电位大、转化效率低、产物选择性不理想等一系列问题。目前,开发高效新型催化剂来提升反应效率和选择性是电催化CO2还原亟需解决的关键科学问题。光电催化技术是近年来国际上最活跃的研究领域之一,目前主要以TiO2半导体为基础的光催化技术还存在着如量子产率低、太阳能利用率低及回收困难等几个关键的科学技术难题,使其在工业上广泛应用受到极大制约。以上问题的根本解决有赖于基础研究的深入,如提高光催化反应的活性,提高光量子产率,拓展光吸收波长等。开发相应的高效催化剂,实现上述反应过程,实现对新能源的有效应用,需要催化剂要有可见光活性,高效的载流子分离,低过电位,并且是非贵金属。伴随着对这些关键问题的研究,纳米光催化材料的实际应用将得到实现,并改善我们的生存环境,给我们的日常生活带来更多的便利。

 

 

研究方向

(1)光电催化技术中催化剂可见光活性

(2)光电催化技术中催化剂高效的载流子分离

(3)光电催化技术中催化剂低过电位

(4)光电催化技术中非贵金属催化剂

 

研究拟解决问题

(1)光电催化技术中催化剂可见光活性

(2)光电催化技术中催化剂高效的载流子分离

(3)光电催化技术中催化剂低过电位

(4)光电催化技术中非贵金属催化剂