【科技自立自强】西安交大科研人员在PEM析氧阳极材料及钙钛矿太阳能电池驱动的燃料转换和电力存储系统研究中取得新进展

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其具有低成本、高效率的优势，在过去的十年中受到了广泛的关注。持续提高光电转化效率是钛矿太阳能电池发展的关键，但同时也面临着能源储存的困境，导致潜在的资源浪费。将太阳能转化为化学燃料被视为促进能源多样性和提高其利用效率有效途径。将金属卤化物钙钛矿太阳能电池与电化学转换系统进行集成，将光能的捕获、转换和存储一体化，可以显著提升光能的综合利用效率。基于此，西安交通大学的梁超研究员、杨生春教授与澳门大学的邢贵川教授合作，系统总结了钙钛矿太阳能电池驱动的电化学燃料转换、电催化还原和电能存储系统的集成于发展现状。重点介绍了基于钙钛矿太阳能电池的新兴光电化学器件开发，包括自充电电池组、无辅助太阳能水裂解/CO₂还原等领域的研究进展，并对该领域所面临的科学挑战进行了分析和展望。上述工作近日分别以（Perovskite Solar Cell Powered Integrated Fuel Conversion and Energy Storage Devices）和（Recent Progress in Perovskite-Based Reversible Photon–Electricity Conversion Devices）为题分别发表在国际知名期刊Advanced Materials和Advanced Functional Materials。论文第一作者为西安交通大学物理学院博士生杨鸽鸽、杨文涵和澳门大学博士生顾浩，西安交通大学物理学院梁超研究员、杨生春教授和澳门大学邢贵川教授为论文的共同通讯作者，西安交通大学为论文第一作者和通讯作者单位。

利用电解水析氢耦合燃料电池技术，实现电能-化学能、化学能-电能之间的能源存储与转换，是解决绿色能源发展领域“弃光”和“弃风”等问题的有效途径。设计制备高效、低成本的电解水催化剂，提高能量转换效率，是这一技术推广应用的关键。酸性质子交换膜（PEM）电解水制氢具有启动快、产氢效率高、体积小等优势，但存在析氧阳极在酸性电解质中易被腐蚀溶解，以IrO₂为主要成分的商用析氧催化剂成本过高等问题，因此设计兼具高活性、高耐久性和低成本电极催化剂是这一领域亟待解决的关键课题。对此，西安交通大学物理学院杨生春教授和王斌副教授基于d带中心理论，设计了能够在酸性电解液中稳定工作的Nd掺杂RuO₂（Nd_0.1RuO_x）析氧催化剂，其在10 mA cm⁻²电流密度下的过电势仅为211 mV，并表现出优异的耐久性。理论计算表明，Nd的引入能够调控Nd_0.1RuO_x的d带中心能量，有效平衡了含氧中间体的吸附和解吸，降低了反应决速步（O*àOOH*）的能垒，从而加速了Nd_0.1RuO_x的析氧反应过程。此外，Nd掺杂还使得Nd_0.1RuO_x的O 2p能带中心下移，表明Nd_0.1RuO_x中Ru-O的共价性减弱，使其在热力学上不利于发生直接O-O耦合基元反应步骤。同时，Nd_0.1RuO_x中高比例的Ru⁴⁺有效抑制了析氧过程中Ru在酸性电解质中的溶解。将Nd_0.1RuO_x/CC作为析氧阳极组装于PEM电解槽中后可以在10 mA cm⁻²下稳定运行50 h，展示出优异的稳定性。该研究通过设计RuO₂的电子结构，为酸性电解质中OER催化剂的设计提供了新思路。上述研究工作近日以（Optimizing the Electronic Structure of Ruthenium Oxide by Neodymium Doping for Enhanced Acidic Oxygen Evolution Catalysis）为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials。论文第一作者为西安交通大学物理学院李璐博士，西安交通大学物理学院王斌副教授、杨生春教授为论文的共同通讯作者，西安交通大学为论文第一作者和通讯作者单位。

上述研究工作受到国家自然科学基金、陕西省重点项目、陕西省创新团队项目和西安交通大学基本科研业务费等资助并得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

梁超，博士，西安交通大学物理学院特聘研究员，博士生导师。主要从事钙钛矿太阳能电池、电催化和超快光谱学研究。相关工作发表在Nat. Energy、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等期刊上，受到国内外相关学者的广泛关注和多次引用。其中发表在Nat. Energy的论文入选2021年“中国百篇最具影响国际学术论文”，相关工作入选2021年度“中国高等学校十大科技进展”，并获2022年澳门科学技术奖励自然科学二等奖（第三完成人）。主持国家基金委项目一项，担任Mater. Res. Lett.、Carbon Energy、eScience期刊青年编委。

王斌，博士，西安交通大学物理学院副教授，博士生导师。从事太阳能光催化制氢、电催化分解水制氢等研究，相关工作发表在Adv. Funct. Mater.、Appl Catal B-environ、Adv. Sci.、Chem. Eng. J.等期刊。先后主持国家自然科学基金、中国博士后基金、科技部重点研发计划子任务、国家重大 专项子课题等项目。近三年，获得“优秀班主任”荣誉1次，所带本科班1人次获得西安交通大学“优秀学生标兵（本科生）”，合作指导博士生1人次获西安交通大学“优秀博士研究生标兵”，1人次获“陕西省优秀毕业生”称号。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213304

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202108926

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300383