【仪表网 研发快讯】近期，南方科技大学理学院副院长、化学系教授许宗祥团队在新能源领域取得一系列研究进展，与合作者在化学和材料、能源领域高水平期刊Nature Communications、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Advanced Functional Materials发表3篇学术论文。
双碳目标下，新能源技术发展迅速，钙钛矿光伏、超级电容器和电催化产氨成为了研究热点。钙钛矿光伏技术以其高效率、低成本和优异的光吸收特性，在光伏领域取得了显著成果。超级电容器作为一种新型能量存储设备，具有充放电速度快、循环寿命长、环保等优点，广泛应用于能源存储与转换领域。电催化产氨技术则是一种绿色、可持续的氨合成方法，有望替代传统的哈柏-博世法，为化肥产业提供清洁能源解决方案。这三种新能源技术在提高能源利用效率、降低环境污染和促进可持续发展方面具有重要意义。
许宗祥课题组在近期研究工作中已设计、开发多个新型自组装(SAM)空穴传输材料并有效提升钙钛矿光伏器件效率和稳定性。进一步寻找新的 SAMs 设计方法是钙钛矿光伏领域的重要课题。近日，该课题组及合作团队报道了一种SAM空穴传输材料Bz-PhpPACz，该材料分子结构包含 π-扩展咔唑、亚苯基和磷酸基团，分别作为端基、连接基和锚定基团。这种π-扩展的共轭体系加强了SAM分子间的π-π相互作用，从而促进了Bz-PhpPACz分子的自组装过程，形成了具有亲水表面的有序双层结构。这一结构有效地钝化了钙钛矿器件底部的界面缺陷，并显著提高了界面的电荷提取与传输效率。在小面积(0.0715cm2)的器件中，效率达到了26.46%(认证效率26.39%)，并表现出卓越的稳定性。同时，在1cm2的大面积器件中，效率亦达到了25.57% (认证效率25.21%)，小组件效率达到22%以上，进一步证实了该材料在钙钛矿光伏领域中的应用潜力。
图 1. Bz-PhpPACz结构及钙钛矿器件性能
相关研究成果在Nature Communications上发表，许宗祥课题组原南科大-哈工大联培博士生曲歌平、硕士生张乐天，原南科大博士生乔颖为该论文的共同第一作者，共同通讯作者包括香港城市大学教授任广禹、南科大副教授陈熹翰和许宗祥。
电催化硝酸盐还原反应(NO3-RR)向氨的转化，作为一种在常温常压下合成氨的先进技术，展现出了巨大的潜力。尽管如此，目前的研究多集中于碱性废水中的硝酸盐还原，却忽视了广泛存在的酸性废水处理需求。许多催化剂在碱性介质中NO3-RR的性能表现出色，但在酸性环境中却效果不佳(氨产率低至1毫摩尔每小时每平方厘米以下)。这一现象主要归因于催化剂稳定性不足、与氢气析出反应(HER)的激烈竞争，以及酸性介质中硝酸盐氢化动力学的局限性。许宗祥课题组在前期酞菁纳米材料电催化还原二氧化碳的研究工作基础上，成功制备了一种基于双金属铜铁酞菁纳米材料(Cu1Fe3Pc)的催化剂，该催化剂在酸性条件下表现出良好的稳定性，且对HER具有惰性。在所有pH条件下，该催化剂的氨法拉第效率均超过89%，产率更是高达2.4毫摩尔每小时每平方厘米。为了深入探究Cu1Fe3Pc上硝酸盐氢化的促进作用，该工作采用了氘标记技术和原位傅里叶变换红外光谱分析。此外，密度泛函理论的模拟结果进一步证实，Cu1Fe3Pc催化剂中靠近FePc的电子有助于促进硝酸盐在酸性和碱性条件下的氢化反应，从而生成氨。该研究成果为氨的电解合成提供了一种实用的材料策略，并且适用于处理宽pH范围内的硝酸盐废水，有望推动相关技术的商业化应用。
图 2. Cu1Fe3Pc催化剂及其电催化性能
相关研究成果在Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表，许宗祥课题组硕士生冯君源为该论文的第一作者，共同通讯作者包括新加坡国立大学胡启锟博士、教授罗建平和许宗祥。
为了将超级电容器打造成为市场上可行的商业产品，关键在于提升电极的质量负载。尽管如此，现有高质量负载的MXene电极研究多聚焦于内部结构的优化，却往往忽视了电极表面纹理的作用。表面纹理在电极内部结构与电解质相互作用的调控扮演重要的角色。本研究中，许宗祥课题组提出了一种简便的离子插层工艺，该工艺能够有效降低电荷转移的阻力，并增强电极的循环稳定性。借助3D可视化模型和广角X射线散射技术的融合应用，对电极的表面形态以及MXene片层的分布进行了深入而全面的分析。研究发现，离子插层引发的预取向聚集体形成了一种精细的凹凸不平表面结构，这有助于电解质的渗透和离子的交换。这些改进使得电极具有卓越的稳定性，在经过15000次充放电循环后，电容量保持了99.9%，并且制造出的高质量负载电极展现出显著的稳定性和超过5 F/cm2的面电容。此项研究突显了表面纹理在薄膜和电极设计中的重要性，并为开发高性能新材料提供了重要的理论指导。
图 3. MXene离子插层及超级电容器性能
相关研究成果在Advanced Functional Materials上发表，许宗祥课题组硕士生高长钦为论文第一作者，通讯作者为许宗祥。
以上研究得到了科技部国家重点研发计划，广东省科技厅粤港澳光热电能源材料与器件联合实验室、广东省科技厅基础与应用基础研究重大项目，深圳市科创局高校稳定支持计划及面上项目基金支持和南方科技大学公共分析测试中心的大力支持。
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