凌国维、杨全红等实现深海贫氧环境海水电池高效催化剂构建

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深海能源供应是认识海洋、实现“海洋强国”的重要前提。如何在深海极端环境和能源“荒地”上发展高效能源转化技术已成为科研工作者面临的重大挑战。近日，我校海洋科学与技术学院凌国维副教授、张辰博士与化工学院杨全红教授共同提出了面向深海贫氧环境海水电池高效亲氧催化剂的设计策略，并实现了在海水中的长周期运行，相关研究成果发表在能源材料领域国际权威期刊《Advanced Energy Materials》上。该研究提出了面向贫氧环境和海水复杂环境下的亲氧催化剂设计理念，为新型电催化剂设计提供了新的思路，为海水电池实用化提供了重要支撑。
       1996年诺贝尔化学奖得主Richard E. Smalley在列举“未来50年人类所面临的十大问题”时将能源（Energy）与水（Water）作为首要的两大难题。海水电池是直接利用海水作为电解质和能量来源的能源转化器件，不仅是重要的海水资源化利用策略，而且是深海长周期能源供给的重要方式。然而，氧分子是海水电池进行氧还原反应的“食粮”，而深海贫氧环境却使得氧还原反应“缺衣少粮”。因此，开发对贫氧环境下氧分子高效富集效果的亲氧催化剂，对于提高海水电池整体性能并推动其大规模应用至关重要。

       面对上述问题，他们通过微波合成法超快制备Fe-N-G/CNT单原子催化剂，实验结果结合理论计算证明了不同纳米碳界面之间的电荷分离现象及亲氧界面的存在，并阐明了其在贫氧环境下实现高效氧还原催化的机理。将其应用于海水电池，在0.4 mg·L-1的超低氧含量下，采用Fe-N-G/CNT催化正极的海水电池仍然可以正常工作而传统Pt/C催化剂则无响应，证明了亲氧催化剂在极端环境中的关键作用。

       本研究聚焦极端环境下能源材料的设计，提出了未来能源器件的变革性应用场景，为深海能源供应和极端环境能源保障等国家重大需求提供了理论和技术支撑。相关成果已构建专利池并申报PCT专利。
       本文第一作者为海洋科学与技术学院硕士生孟蓉炜和化工学院硕士生陆子洋，通讯作者为海洋学院张辰博士、凌国维副教授和化工学院杨全红教授。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
       Rongwei Meng, Chen Zhang,*Ziyang Luet al. An Oxygenophilic Atomic Dispersed Fe-N-C Catalyst for Lean-Oxygen Seawater Batteries,Advanced Energy Materials, 2021, DOI: 10.1002/aenm.202100683.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100683


       文章来源：天津大学
       杨全红博士是天津大学教授。国家杰出青年科学基金获得者、国务院政府津贴获得者、入选科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”。从事碳功能纳米材料和新型储能器件研究，获天津市自然科学奖一等奖（排名第一，2013）、天津市科技进步奖一等奖（排名第二，2012）和英国碳素学会“The Brian Kelly Award”（2004）。《Carbon》、《Science China Materials》、《Energy Storage Materials》《Materials Research Express》、《天津大学学报》等10份刊物编委。在Nature Chem、JACS、Adv Mater、Energy Environ Sci、Nano Lett、Phys Rev Lett、ACS Nano、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy等刊物发表SCI论文100余篇，他人引用6000余次。承担973国家重大研究计划课题、国家自然科学基金（杰青、重点、面上）等国家及省部级项目20余项；授权发明专利30余项。