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江蘇大學Small：綠色制氫催化材料新成員SnSe 二維壓電材料，高效制氫顯優(yōu)勢 | 前沿用戶報道
綠色制氫
SnSe入選理想壓電催化材料候選體系
被譽為21世紀“終極能源”，氫能可謂市場前景廣闊，水分解綠色制氫更是重要發(fā)展方向。壓電納米材料可將機械能轉化為化學能，為綠色氫能制備提供了一種嶄新路徑，有望進一步推動綠色制氫技術的發(fā)展，但目前大多數(shù)壓電納米材料的催化效率仍然有待提升。
二維鐵電/壓電材料具有高電導率/遷移率、優(yōu)異的鐵電/壓電特性、相對窄的帶隙寬度、豐富的表面催化活性位點等優(yōu)勢，因而在壓電催化領域具潛力。在所有二維鐵電/壓電材料中，SnSe 材料具有理論預測最高壓電響應、以及高遷移率和易形變特性等性質，成為理想壓電催化材料候選體系，有望應用于進一步提升機械能驅動綠色水分解制氫催化反應效率。
首次報道
江蘇大學利用 SnSe高效催化產氫
近期，江蘇大學量子與可持續(xù)性技術研究院團隊首次報道選取 SnSe 二維材料作為壓電催化材料，得益于 SnSe 易形變特性(楊氏模量為24.3至27.7 GPa)、單層材料很高的壓電系數(shù)(d11 = 250.58 pm V−1)和高理論遷移率(11000 cm2 V−1 s−1)，實現(xiàn)了高效超聲機械力驅動水分解產氫(效率高達948.4?µmol?g−1 h−1)，遠超大多數(shù)已報道的其他壓電催化材料產氫效率。
相關成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”為題在Small上。這充分體現(xiàn)了 SnSe 二維材料在綠色催化反應中的優(yōu)勢，對進一步推動綠色制氫產業(yè)技術發(fā)展具有重要意義。
性能表征
研究論證SnSe材料壓電及催化性能
研究過程中，江蘇大學團隊首先對 SnSe 二維材料的結構壓電性質進行表征分析。研究人員通過簡單的熱注入化學法合成 SnSe 單晶納米片，采用差分相位襯度-掃描透射電子顯微成像(DPC-STEM)這一新興技術，在納米尺度下觀察到了 SnSe 材料內部的鐵電疇結構，間接驗證了其具有鐵電/壓電響應。
圖1. SnSe二維納米材料的微觀結構分析圖
另一方面，研究團隊與 HORIBA 位于上海的應用中心專家合作，采用LabRAM Nano 配備的 SmartSPM 壓電響應力顯微鏡(PFM)模塊深入研究了 SnSe 納米材料的壓電/鐵電性能，觀測到了鐵電疇結構。通過施加−10 V至+10 V的偏壓，在面內方向得到了典型的蝴蝶曲線，進一步證實了 SnSe 納米片具有面內壓電/鐵電性。
圖2. SnSe 二維納米材料的PFM表征分析圖
對 SnSe 二維材料的壓電性質完成表征分析后，研究團隊進一步評估了SnSe 納米片在超聲機械力作用下水分解制氫性能。以三乙醇胺(TEOA)作為犧牲劑，在100 W 和45 kHz 的超聲波作用下，SnSe 納米片相比于納米顆粒和微米樣品表現(xiàn)出更優(yōu)的壓電催化活性，產氫效率高達4742.9 μmol?g−1。此外，計算表明 SnSe 納米片的共振頻率約為43.6 kHz，這與獲得最高產氫效率的超聲條件(45 kHz)接近，表明材料的壓電響應在機械能驅動分解水催化反應中起到關鍵作用。
圖3. SnSe 二維納米材料在超聲機械力作用下分解水產氫性能及壓電電流相應圖
課題組介紹
李順，江蘇大學金山特聘教授。
2015年獲得加拿大國家科學研究所(INRS)能源與材料科學博士學位。曾任南方科技大學副研究員。研究方向主要為鐵/壓電/熱電/熱電納米材料在能量轉換及催化中的應用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等國際期刊上發(fā)表論文80余篇。發(fā)表論文被引用3000余次，H指數(shù)33。申請專利數(shù)十項，獲批國家自然科學基金2項。
張建明博士 現(xiàn)任江蘇大學化學化工學院教授，博導，江蘇特聘教授。
2013年獲得加拿大國家科學院(INRS)材料科學博士學位。2016年9月加入江蘇大學化學化工學院，組建功能復合材料研究團隊。專注于新能源材料、電子信息材料、環(huán)保材料的基礎和應用研究。主持國家自然科學基金、科技部重點研究計劃子項目、江蘇省特聘教授等多項國家、省部級科研項目。
儀器使用評價
“實驗中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配備的 SmartSPM 模塊對納米材料的壓電/鐵電性能進行表征。其配備了多種 SPM 測量模式，如開爾文探針模式(表面電勢，SKM，KPFM)、壓電響應模式(PFM)，可以實現(xiàn)對納米壓電/鐵電材料電疇、表面電勢等性質的多方位、快速、自動化表征分析。”
HORIBA 科學儀器應用中心
本次實驗中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光譜儀
(升級型號：LabRAM Odyssey Nano)
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