厦门大学嘉庚创新实验室副研究员王韬 学科交叉融合 赋能新能源产业.pdf

2024 年第 2 期9中国高新科技TECHNOLOGY TALENT|科研达人催化反应是化学反应中极其重要的一类反应，在农业、能源、医药、化学化工和环保等领域都扮演着重要的角色。尤其是在新能源领域，探究电解液界面结构调控电催化反应性的微观机制，已经成为解决燃料电池、电解器应用中瓶颈问题重要途径之一。嘉庚创新实验室副研究员王韬，一直在这条科研道路上砥砺前行。理想为因，实行为果“理想是石，敲出星星之火；理想是火，点燃熄灭的灯。”王韬自高中时期就对物理和化学产生了浓厚兴趣，高考时，他毅然选择了厦大化学系，自此走上了基础研究之路。或许是理想的指引，让他在本科期间就入选基础学科拔尖人才培养计划，在孙世刚院士、田中群院士的物理化学讨论课的引导之下，选择电化学作为未来发展方向。大三时，在拔尖计划的支持下，王韬前往乔治城大学进行联合培养，在 Yuye Jay Tong 教授的指导下进行谱学电化学相关的科研训练，接触到了更加前沿的技术，拓宽了国际视野。但一颗拳拳报国心牵引着他在完成学业后毅然回到祖国。回国后，王韬留在厦门大学能源材料协同创新中心直博（2011计划），在孙世刚院士与周志有教授的指导下开展研究。这期间，他主要关注如何通过界面修饰调控电催化反应性，同时利用原位谱学方法跟踪反应机理，突破了燃料电池催化剂一氧化碳毒化这一传统瓶颈问题，为领域发展开拓了新方向。在博士最后一年，王韬前往麻省理工学院进行联合培养，在 Yang Shao-Horn 院士的指导下尝试将质子偶联电子传输的微观动力学模型引入传统电催化反应动力学研究中，揭示了氢键调控电催化反应性的新机制。2022 年，王韬加入嘉庚创新实验室，开始致力于发展基于自由电子激光的原位电化学红外光谱技术，用于揭示反应环境中氢键结构变化与电催化反应性间的构效关系。同时，将博士期间发展的燃料电池抗中毒技术逐渐从基础研究推进到产业应用端，发展了气体阻隔层修饰抗中毒催化剂的批量化生产工艺，推进了这一技术的产业转化进程。近5年来，王韬以第一作者及通讯作者身份在Nature Catal.,J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem.Int.Ed.,Energy Environ.Sci.,ACS Energy Lett.等化学及能源领域权威期刊发表论文 7 篇，申请中国专利 3 项，其中 1 项已获授权。他用自己的实际行动展现着当代青年科研工作者的科研精神。踔厉前行，勇创佳绩具体到科研创新，王韬的研究主要从电催化动力学分析出发，以理解电解液调控电催化反应的微观机制为基础，再结合原位谱学与分子动力学模拟，从分子、量子视角切入，提取复杂结构中的关键因素，并应用于指导实际电催化的界面设计与优化。据悉，酸性条件下的二氧化碳还原、氧还原制备过氧化氢等反应具有重要应用前景。然而，大量的析氢副反应往往使得酸性介质加氢过程的库伦效率极低。如何有效抑制析氢反应成为限制领域发展的重要问题。于是，为了深入认识阳离子抑制析氢的物理机制，王韬通过微电极定量测定了碱金属阳离子对于质子扩散动力学的影响，发现质子表观输运速率下降了 12 倍，扩散系数下降超过 6 倍，远超过多物理场模拟预测阳离子通过电场效应对于质子输运速率抑制至多 2 倍的理论值。该结果首次证明了受电解质阳离子调控的水网络结构是控制质子输运的关键因素，远超过阳离子引起的电场效应。红外光谱显示阳离子浓度上升会驱使质子从体相水转厦门大学嘉庚创新实验室副研究员王韬学科交叉融合 赋能新能源产业 文徐强 2024 年第 2 期10中国高新科技科研达人|TECHNOLOGY TALENT移到碱金属离子水化层。采用考虑核量子效应的路径积分分子动力学（PIMD）模拟方法，并结合图论分析水网络结构，王韬发现阳离子破坏氢键网络的连接性，使得原本在纯水溶液中可以沿着水链快速传递（隧穿机制）的质子被封锁于阳离子的水化层中，使其长程输运速率明显下降。揭示了电催化界面调控质子输运的关键因素，为理性设计电解器，控制质子长程输运动力学提供了全新思路。为了揭示质子转移对于氧还原等重要能源电催化过程的影响，王韬基于近年来耶鲁大学 Sharon Hamme-Schiffer 院士发展的非绝热PCET动力学理论，分析了当界面氢键变化时，质子偶联电子传输过程中的核量子效应对反应速率的影响。揭示了氢键调控氧还原反应活性的微观机制，并发掘了其关键描述符。当溶剂中质子供体与反应中间体的 pKa 相近时，界面氢键最强，氮氢键（NHO）的伸缩振动频率红移最大，氧还原活性也达到峰值。同时，实验结果还证明在仅调控氢键而不改变催化剂固体结构的条件下，就可将氧还原活性提高 5 倍，为打破现有“吸附能线性关系”造成的氧还原催化剂发展瓶颈提供了全新的方案。除了调控氢键强度从量子层面影响质子的隧穿概率，王韬近期工作还发现由水网络结构调控的氢分布概率，同样可以有效控制 CO2加氢动力学。通过时间分辨红外光谱结合AIMD 模拟发现，与 Na+相比，Li+周围的水网络更具刚性，限制了水分子的转动，使得水中氢在吸附态 CO2周围的分布概率明显下降，从而降低了加氢反应速率，有望解决二氧化面扩散与吸附过程的能垒均显著提高，有效阻滞了 CO 吸附毒化作用。为燃料电池阳极催化剂抗 CO 毒化这一数十年来的未解难题提供了全新的解决方案。除了氧化物锚定的强吸附水层，王韬还发现具有多齿吸附结构的有机层也能提高催化剂的抗中毒能力。通过在 Pt/C催化剂表面修饰二乙酰基吡啶，其吡啶环倾斜的吸附构型可在表面形成高度约为 2.41 的楔形反应空间。这一策略保证了 Pt 催化氢气氧化正常进行的同时，阻碍毒化物种靠近活性位，有效提高了 Pt 催化剂的抗中毒能力。为了在应用层面克服 PEMFC 阳极抗毒化这一技术瓶颈，王韬发展了表面修饰抗毒化催化剂的批量化合成工艺。通过在自主研发的大批量合成 PtRu/C（单批次 100g 级制备）催化剂表面修饰 C3N4纳米层，有效抑制 CO 的吸附与扩散，实现了电池层面的抗毒化能力增强。在氢空燃料电池功率密度达到 1.15 W/cm2的前提下，可在 1 A/cm2的电流密度下使用含有100 ppm CO的氢气作为阳极燃料并稳定工作。相较目前国标及 DOE 要求的氢气中 CO 阈值（0.2 ppm）提高了近 3 个数量级。目前，已完成此抗毒化催化剂的十克级放大合成工艺优化，此部分工作为国产燃料电池阳极催化剂提供了全新的技术路线。当然，关于电催化界面反应动力学的研究还远远不够。因此，在未来研究中，王韬将继续深耕相关研究，发展原位时间分辨方法，推进领域内对于电催化反应动态过程的理解，为我国新能源产业的发展提供更加有力的支撑。碳还原领域长期争论的阳离子效应问题。另外，PEMFC 阳极催化剂的抗毒化问题是困扰电催化领域多年的卡脖子问题。针对这一困境，王韬首创了利用界面修饰层抑制H2氧化催化剂表面 CO 扩散与吸附这一新策略，并将其成功应用于实际电催化体系的设计合成，实现了此类新型催化剂的十克级批量合成以推动其产业化应用。研究中，王韬设计并构建了RuRuO2电催化界面，利用包裹于金属 Ru 催化剂表面的 RuO2修饰层强化对界面水的吸附能力，提高了金属表面水的覆盖度。通过AIMD 模拟发现，RuRuO2界面更高覆盖度的吸附水使得 CO 近表