高效对电极材料的设计及表面电催化机理研究取得新进展

高效RuO2对电极材料电池性能以及电催化过程理论计算结果

能源危机和环境污染是目前阻碍人类社会可持续发展的两大关键问题,开发和利用新型清洁能源已成为世界各国共同关注的焦点。染料敏化太阳能电池(DSC)作为一种有效低廉的光电转换设备,近几年得到了极大的关注和发展。贵金属铂(Pt)作为传统的对电极材料具有优良的催化性能,但由于其昂贵的价格及有限的储量,极大地限制了染料敏化太阳能电池的实际应用及大规模发展。因此,寻求高效的对电极替代材料成为未来染料敏化太阳能电池发展的重要方向。然而,由于对其表面发生的非均相催化机理的理解尚不成熟以及其真实反应环境的难以模拟等问题,使得如何设计并开发出高效的对电极替代材料仍然面临着极大的挑战。

基于这一问题,最近华东理工大学的杨化桂教授与王海丰副教授通过两步法可控合成了尺寸均一的RuO2纳米晶体,由于其不但具有良好的电导率,同时对I3还原反应表现出了较高的催化活性,使得其电池性能达到了与贵金属铂的相同水平。在此基础之上,该课题组系统并深入地研究了在对电极表面发生的电催化过程。借助第一性原理计算及相关热力学分析,结合微动力学研究了对电极表面碘三离子还原反应的基本催化机理,并确定了基元反应的决速步骤及影响催化活性的关键参数——碘原子在催化界面的吸附能。随后,通过模拟真实固液(乙腈)界面环境,系统研究了表面结构(原子结构及电子结构)、基元反应、反应过程能线图与催化活性的关联关系,并最终证明与Pt相比,在RuO2表面发生的I3还原反应速率显著提升。这一研究成果不仅为今后其它新型太阳能电池替代材料的开发提供了重要途径,同时有利于对电极材料催化机理的进一步探索,也为新型太阳能电池未来的大规模工业化发展提供了重要的理论依据及应用基础。