Исследовательская группа профессора Сунь Фэя из Института энергетической науки и инженерии ХПУ, возглавляемая профессором Гао Цзихуэем, добилась значительных успехов, изучая катализаторы на углеродной основе для преобразования энергии.
Результаты исследований были опубликованы в журналах Joule (статья выбрана для размещения на обложке) и Nature Communications под названиями «Мультимасштабная передача массы на электрокаталитическом интерфейсе, индуцированном углеродными катализаторами» и «Рассмотрение эффекта взаимодействия размера sp2 кристаллических областей и локальных активных центров в регулировании селективности катализа восстановления кислорода на нано-углеродных катализаторах».
Процесс преобразования маломолекулярных веществ на углеродных катализаторах охватывает сложные многоуровневые эффекты, включая атомарные активные центры, каналы передачи массы на наномасштабе и макроскопическое строение электродов. Одной из главных проблем в этой области является точное понимание механизмов действия одиночных и многоуровневых функциональных единиц катализаторов на углеродной основе, а также достижение высокоактивного, высокоселективного и стабильного преобразования.
В статье, опубликованной в журнале Joule, исследовательская группа ХПУ предложила теоретическую рамку мультимасштабной передачи массы для углеродных катализаторов, которая выходит за пределы традиционного подхода, сосредоточенного только на одном активном центре. В статье раскрыты ключевые элементы, такие как нанофизические эффекты углеродных катализаторов, определяющие передачу массы и реакционную способность. Также рассмотрено, как макроскопическая структура электродов решает проблемы «засорения» и «затопления» в процессе катализаторов.
Исследование механизма углеродного электрокаталитического преобразования энергии. (Слева) Работа на обложке журнала Joule; (по центру) мультимасштабный путь передачи массы на электрокаталитическом интерфейсе углеродных катализаторов; (справа) эффект взаимодействия размеров сп2-кристаллических областей и локальных активных центров в наноуглеродных катализаторах.
Группа исследователей, рассматривая давно игнорируемый эффект размера кристаллических областей углеродных катализаторов, сфокусировалась на спорном вопросе, связанном с восстановлением кислорода (ORR): как кислород может избирательно превращаться в воду (для топливных элементов) или перекись водорода (для экологического синтеза). В статье, опубликованной в Nature Communications, была предложен новый механизм «регулирования взаимодействия размеров sp2 углеродных областей и локальных активных центров». Команда разработала модель углеродных катализаторов с контролируемым размером (графеновые квантовые точки и углеродные частицы сажи) и с помощью статистического обучения, многомасштабных теоретических вычислений и спектроскопии во время протекания химической реакции раскрыла внутренний синергетический эффект между размерами sp2 углеродных областей и локальными активными центрами на атомарном уровне. Исследования показали, что локальные активные центры определяют виды ключевых промежуточных продуктов, в то время как размеры sp2 углеродных областей регулируют их генерацию, разрыв связей и десорбцию.
Харбинский политехнический университет является первой организацией-корреспондентом обеих статьей. Доктор наук Ян Чаовэй из Института энергетической науки и инженерии ХПУ стал первым автором обеих статей, а профессор Сунь Фэй – автором-корреспондентом. Профессор Лю Шаоцинь с Отделения науки о жизни и медицины ХПУ также является автором-корреспондентом статьи в Joule, и профессор Лу Юньфэн из Пекинского химико-технологического университета является соавтором статьи в Nature Communications.