1.质子交换膜燃料电池(PEMFC)/电催化

低温质子交换膜燃料电池是具有大规模商业化生产前景的一类清洁能源形式,它具有能量密度高，转换效率高、环境友好、启动快等优点。氢气和氧气在阴阳极的催化剂的表面分别发生氧化和还原反应将化学能转化为电能，两极中的质子交换膜起到传导质子的作用。由于我们国家深受环境污染的困扰，急需推广清洁能源的使用，低温燃料电池也吸引了电动汽车厂商大量的投入。丰田公司于2015年上市的Mirai氢氧燃料电池车具有充气3分钟可续航700公里的特点。氧气还原反应(ORR)是发生在燃料电池阴极的电化学反应，其较高的反应过电位使其需要贵金属催化剂铂的催化才能进行，从而极大的限制了燃料电池的市场化。另一方面，氧气还原反应催化剂的稳定性仍不能满足燃料电池市场化的要求。为了解决这些问题，我们开发了一系列新型氧气还原反应催化剂。电催化是一种在电化学反应过程中发生在电极表面的特殊催化行为，其主要原理是加速界面电子转移，促进过渡态的生成或转化。电催化研究在能量储存和转化领域具有重要意义。

 

代表性工作

过渡金属-氮-碳(M-N-C)型非贵金属氧气还原反应催化剂

我们主要研制的氧还原反应的电催化剂是在高温下(>800°C)裂解过渡金属，含氮前驱体和碳黑并经过酸洗和二次裂解所得，其活性位点可能是过渡金属-氮-碳(M-N-C)的配位结构，已被学术界公认为目前最好的非贵金属氧气还原反应催化剂。我们发现不同的含氮前驱体分子(聚苯胺、乙烯二胺、氰胺等)和过渡金属(铁、钴等)对最终催化剂的碳结构、掺杂的石墨氮/吡啶氮的比例和催化活性有着显著的影响(Adv. Energy Mater., 2014, 4, 1301415.)。

 

完全有序PtM (M = Co, Ni, Fe)纳米合晶氧气还原反应催化剂

我们发现Pt基纳米晶的晶体有序程度对氧还原反应的活性和材料的稳定性具有重要的影响。但普通方法合成的有序结构纳米晶很难实现完全的相转化。我们通过采用哑铃状的FePt-Fe₃O₄纳米粒子作为前驱体从而在Fe₃O₄的还原退火中引入原子缺陷，首次合成出了完全有序的fct-FePt纳米粒子。该催化剂在酸性环境中测得极高的氧气还原反应半波电位（0.958 V vs. RHE）和质量活性，并在20000圈加速电位扫描后没有发现Fe的损失，体现出了极强的在酸性环境中的过渡金属保持能力 (Nano Lett. 2015, 15, 2468.)。

直接二甲醚燃料电池催化剂

目前商品化的便携式燃料电池主要是直接甲醇燃料电池(DMFC)，但甲醇作为燃料具有严重的甲醇渗透和毒性大的问题。二甲醚作为一种新型燃料具有能量密度高、燃料渗透小和基本无毒等优点，因此得到了高度重视。我们首次将Pd引入传统甲醇氧化的PtRu/C催化剂来降低二甲醚氧化过程中C-O键断裂的活化能，通过进一步对Pd含量的优化得到了首个专门为二甲醚氧化开发的催化剂(Pt₄₆Ru₄₄Pd₁₀/C)，非常有希望成为下一代便携式燃料电池市场的主导产品。(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 127, 7634; US Patent: US20130292260 A1)

 

自组装纳米晶氧析出反应催化剂

我们利用溶剂-空气界面自组装方法制备了cm级紧密排列的单层Co纳米粒子阵列，并采用退火后处理的方法提高Co粒子的结晶度，从而构筑了一种新型非贵金属氧析出反应催化剂，在10 mA/cm²时的过电位仅为0.38 V，这一数值优于商品化铱催化剂。(J. Am. Chem. Soc., 2015,137, 7071.)

 

2. 锂/钠电池

锂（钠）电池是一类由锂（钠）金属或锂（钠）合金为负极材料的电池。锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池都是锂电池的一种。以最为常见的锂离子电池为例，在充放电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱出，并在正极和负极之间来回迁移，从而使体系产生电流。

 

代表性工作

基于金属氧化物的锂离子电池负极材料

相比于常用的石墨负极，金属氧化物具有更高的比容量，从而吸引了人们的目光。我们合成了CuO、SnO₂等一系列金属氧化物微米/纳米材料并将其应用于锂离子电池(Nano Energy, 2014, 6, 73; Nano Energy, 2014, 9, 334.)，这些材料表现出了较高的比容量和较好的循环稳定性，有望替代现有石墨负极。

 

基于碳基非贵金属的锂空气电池正极材料

我们首次将笼状金属有机框架材料(MOF)作为载体用于碳基非贵金属复合材料的合成，其笼状结构能够使前驱体更均匀的分散从而提高活性位点的密度，所开发的基于二氰亚胺，铁和笼状MOF在锂空气电池阴极体现出了极高的充放电容量和循环性能 (Adv. Mater., 2014, 26, 1378) 。

3. 电分析化学

电分析化学是通过测定某一化学体系的电信号响应（如电位、电流、电导、电量）而建立起的一种分析方法。近年来，随着纳米技术的发展，电分析化学在生命分析领域获得了越来越广泛的应用。

代表性工作

软界面分析

液液界面离子转移的研究对于认知离子在生物膜上的迁移具有重要意义，我们首次成功研制了半径小于5纳米的石英玻璃纳米管，并用电化学方法对水/1,2-二氯乙烷界面上离子转移反应的动力学行为进行了分析研究。计算得到这三种离子转移反应的速率常数是迄今为止报道的能够测量得到的最快的离子转移反应的速率常数 (Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 8010.)。

电分析传感器件

我们用一步法在N-甲基吡咯烷酮中超声剥离石墨得到高浓度的石墨烯溶液，电聚合法合成了聚吡咯/苯并蒽-7,12-二酮复合物等，这些新颖的传感材料对于相应的目标靶向物，例如双氧水（细胞原位释放）、多巴胺、抗坏血酸、等，展现了增强的检测能力，具有非常广的商业化应用前景。(Anal. Chim. Acta., 2014, 825, 26; Electrochim. Acta, 2014, 130, 187.)