团队概况
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理论方面:

1)染料敏化太阳能电池研究

能源短缺和环境污染是制约经济和社会可持续发展的难题,如传统能源枯竭、大气土壤破坏及温室气体排放等问题。这些问题将迫使人们通过改变现有的能源结构来解决。通过开发和利用清洁无污染的可再生性新能源—太阳能,是解决能源及环境问题并实现经济和社会可持续发展的重要方向。

本方向主要采用理论与实验结合的方式研究染料敏化太阳能电池,利用量子化学计算、分子动力学等分子模拟技术进行微观机理研究同宏观染料敏化太阳能电池实验结合,设计与表征一系列基于全新非贵金属中心敏化剂和纯有机染料敏化剂。主要研究敏化剂光电转换机理,表征敏化剂的紫外/可见光吸收光谱范围及吸收强度;研究敏化剂电子注入半导体机理,阐明受光激发电子注入半导体方式及注入时间,遴选利于表面吸附、结合力强、电子传输便利的敏化剂吸附基团;研究敏化剂还原再生机理,设计与改进新型敏化剂在电解液中的还原性能。本方向的研究可为开发低成本、高效率、无污染的染料敏化太阳能电池提供理论与实验指导。该研究方向已完成的理论工作包括多吡啶钌敏化剂、非贵金属铜、铁敏化剂分子的理论设计与表征等工作,已有多篇成果已经发表在国际期刊J. Mater. Chem. C、J. Phys. Chem. C、J. Phys. Chem. A、等。近期与香港科技大学杨世和教授合作,理论与实验设计了一系列以dithiafulvenyl unit为供体的新型纯有机敏化剂分子,效率达到8%以上,目前成果发表在美国化学会杂志Org. Lett.。前期的工作积累为本方向后期的发展奠定了坚实的基础并提供了直接理论与实践经验。

2)金属及金属氧化物表面催化机理研究

设计高效率、高选择性、绿色环保催化剂是当前热门研究领域绿色化学的支柱之一,但由于催化剂表面反应的复杂性,以及实验条件的局限性,目前对表面催化反应机理还存在许多未知,制约了建立在催化反应基础上的能源工业和整个化学工业的快速发展。因此,系统而深入的理论研究,有助于从原子层面上认清催化剂表面反应机理以及决定其催化活性的本质因素,为相应催化剂设计及加工工艺的改进提供指导。

本方向主要采用计算模拟技术,研究催化剂表面反应机理、表面结构、活性位、抗中毒性等微观机理和性质。从原子水平上对反应过程进行完整的动力学描述,找出反应活性和选择性的控制步骤,认清表面结构敏感性对反应机理的影响,弥补了现代实验方法的不足,丰富了表面催化机理的研究手段,为表面催化理论增加了新内容。目前该方向在ACS Cataly.、ACS Appl. Mater. Inter.、Catal. Sci. Technol.、ChemCatChem、Langmuir等国际期刊上发表论文10余篇。

3)碳捕获及储能材料理论研究

能源储存和温室气体减排面临巨大的挑战。碳基材料及有机金属骨架材料的发展为解决碳捕获及储能问题提供了一种选择。借助于量子化学及分子力学相结合的方法,系统研究这些小分子气体在多孔材料中的吸附行为,有助于设计新型多孔吸附材料,以及深刻认识混合气体在吸附材料中的竞争吸附等。

本方向主要采用密度泛函理论、分子动力学及蒙特卡洛模拟的理论方法,采用Gaussian 09、VASP、Materials studio、Music及Lammps等软件程序探究CH4,CO,CO2,H2O等小分子气体以及它们的混合气体在多孔材料中的吸附行为。具体包括各种多孔材料的孔隙拓扑结构、气体分子与吸附材料稳定性分析、吸附材料的电子结构分析、小分子气体与骨架材料之间的相互作用方式、骨架材料的储存能力评估、吸附/解吸过程中的能源消耗和竞争吸附能力等。目前该方向在Nanoscale、J. Mater. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys.上发表论文。

 

实验方面:

1)功能化纳米纤维的设计合成及应用

一维纳米纤维具有良好的定向性、大的长径比、大的比表面积等优点,在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途。静电纺丝技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维,包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。

本研究方向上主要针对材料的功能应用为目标,将静电纺丝技术与水热、电镀等其它化学合成方法相结合,设计合成不同组成、不同结构的复合纳米纤维。具体包括多种单一组分无机纳米纤维(SnO2、TiO2、ZnO等)、掺杂结构(稀土掺杂、过渡金属掺杂等)、异质结构(PN异质结)、负载结构(贵金属负载)、多级耦合结构等复合纳米纤维,前期研究了不同组成、结构对纤维的气体传感、光催化、吸附/过滤等性能的影响。目前,重点开发柔性纳米纤维基自支持电极材料。多篇成果发表在ACS Appl. Mater. Inter.,J. Mater. Chem. C,Electrochim. Acta,Sen. Actuators, B等国际期刊上。

2)二维材料的化学调控及电化学性能研究

石墨烯一样,其他二维晶体不仅对于探索二维极限下新的物理现象和性能非常重要,而且在电子、光电子等领域具有诸多新奇的应用。过渡族金属硫化物结合了半导体和金属的特性,具有优异的稳定性、抗腐蚀性和催化活性,在诸多化学反应中可与常用的贵金属催化剂相媲美。

本研究方向从MX2 (X=S, Se, Te)二维材料构效关系出发,研究其化学合成及结构相、层间结构、缺陷结构、掺杂结构的调控。具体研究了利用水热/溶剂热法、有机相合成法等合成过程直接调控物相结构;合成了层间结构扩展的MoS2、CoSe2、MoTe2等多种过渡金属硫族化合物,详细研究了其在离子电池、超级电容器、HER/OER等电化学性能。多篇成果发表在J. Mater. Chem. A,Electrochim. Acta,Inorg. Chem. Front.等国际期刊上。

3)导电高分子微纳米结构的设计合成及应用

导电高分子具有π电子骨架,掺杂后具有不寻常的电学性质,比如导电性,低光跃迁能,低电离电位和较高电子亲和势。导电高分子的掺杂是可逆的,其导电率可以在很宽的范围内变化,从绝缘体到导体,这种独特的性质是其他材料所无法超越的,所以可用于制作晶体管、传感器、二次电池电极材料等。

本研究方向主要是基于软/硬模板法、自组装法、气相聚合等方法制备具有空心结构、核壳结构、多级结构的导电高分子微纳米结构材料以及无机/导电高分子复合材料、衍生杂原子掺杂碳材料等,研究其作为催化剂载体、电化学储能电极材料的性能及结构优势,扩展其相关应用。多篇成果发表在ACS Appl. Mater. Inter.,Small,Adv. Mater.等国际期刊上。