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人物简介
彭生杰， 南京航空航天大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry, FRSC)。入选国家青年人才计划，江苏省特聘教授、江苏省“双创人才计划”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、南航首批“长空学者”，主持江苏省杰出青年基金、国家自然基金面上项目和南京留学人员科技创新等项目10余项。2010年于南开大学取得博士学位，导师陈军院士。随后分别加入南洋理工大学颜清宇教授和新加坡国立大学Prof.Seeram Ramakrishna（英国工程院院士）课题组进行博士后研究。近十年来，一直从事微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其电化学储能与催化研究，取得了一系列创新性科研成果。其中以第一/通讯作者在Nat.Commun.,J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem.Int.Ed.和Adv.Mater.等发表SCI论文100余篇，被引用1.1万余次，H-index 57。目前担任eScience, Energy & Environmental Materials，Advanced Fiber Materials等六本中英文期刊青年编委。
成果集锦
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随着对能源危机和环境污染的日益关注，人们大力发展可持续的清洁能源。氢燃料具有较高的能量密度和环境友好性是一种优良的能量载体，有助于实现碳中和的目标。在各种制氢工艺中，电解水制氢获得氢气纯度高且不排放废气二氧化碳是一种很有前途的制氢方法。析氢反应(HER)作为水裂解的半反应之一，是影响制氢技术的重要因素，这就要求开发具有快速动力学的高效析氢催化剂。合理的调制电化学重构和识别真实活性来源是实现电催化剂性能优化的重要方法之一。在电化学条件下析氧反应(OER)催化剂通常会经历一个表面重构过程，形成高活性的金属氧化物或(氧)氢氧化物，这已被证实为实际的活性相。然而，改善电催化活性的重构过程很少在HER催化剂中发生。仅有少数报道表明在HER过程中催化剂呈现出近表面的纳米级重构。这种表面较浅层次的重构，由于其重构过程缓慢和有限的活性表面积，衍生的催化剂往往表现出不完全开发的催化活性，导致较低组分利用率。此外，表面重构催化剂的复杂成分极大地阻碍了对催化起源的深入研究。因此，探索催化剂的动态重构机制，以诱导催化剂快速完全重构并揭示实际的催化活性物种，有利于准确的设计高效HER电催化剂，但仍然面临挑战性。
南京航空航天大学彭生杰教授课题组等人通过合理的设计析氢反应(HER)催化剂，以诱导其快速完全重构，从而产生高活性的催化物种。具体来说，采用自组装的策略制备了MXene纳米片包裹CoC2O4的异质结构催化剂(CoC2O4@MXene)。具有空心纳米管结构的CoC2O4@MXene催化剂呈现出较高的电子可及性和丰富的电解质扩散通道，有利于快速完全重构过程的实现。这种快速完全重构诱导了CoC2O4到实际催化活性物种Co(OH)2的转变。研究表明，低价态富缺陷的Co(OH)2与MXene的再结合促进了快速电子转移并降低了Volmer步骤的自由能，从而加速了HER动力学。重新配置的组件在碱性条件下仅需要28和216 mV的低过电位分别达到10和1000 mA cm-2的电流密度。同时，在严酷的天然海水环境中仍然保持良好的活性和稳定性。该文章以Rapid Complete Reconfiguration Induced Actual Active Species for Industrial Hydrogen Evolution Reaction为题，发表在国际顶级期刊Nature Communications上。
Luqi Wang1, Yixin Hao1, Liming Deng1, Feng Hu1, Sheng Zhao1, Linlin Li1, Shengjie Peng1*, Rapid complete reconfiguration induced actual active species for industrial hydrogen evolution reaction, Nature Communications, 2022, 13, 5785, doi: 10.1038/s41467-022-33590-5.
2
全球能源和气候危机迫使人类达成共识并探索可再生能源以取代碳密集型燃料。氢是一种多用途的燃料，具有高能量密度和低碳排放。2020年，全球制氢市场规模估值为≈1200亿美元，预计还将迅速扩张。目前，工业氢气主要是通过天然气重整获得的，天然气重整涉及大量温室气体排放的耗能过程。另外，电化学分解水是一种可持续的技术，用于储存间歇性电能，并在环境条件下生产高纯度氢气。水分解过程包括阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER），其中电催化剂对于降低其能量屏障和降低所需过电位尤为重要。目前，贵金属（如Pt）和金属氧化物（如RuO2和IrO2）分别保持着HER和OER的基准性能。然而，它们的自然稀缺性和高昂的成本极大地阻碍了它们的广泛利用。因此，有必要开发具有活性、丰富和稳定表面反应位点的经济高效的OER/HER催化剂。非贵金属基材料，如氧化物、硫化物、LDH、MOF及其复合材料，由于其结构可调、稳定性和高储量，在水分解方面受到了广泛的研究。包括形态和成分调整在内的策略都适用于高级电催化剂。高材料比表面积和孔隙率有利于在电化学反应过程中实现中间可及性和快速质量传输。研究人员通过制造具有高度暴露的反应位点的多孔或分级催化剂来寻求改进的电催化。然而，使用传统模板法合成具有可控晶相的高孔隙率过渡金属催化剂通常需要繁琐且耗时的制造。此外，考虑到水分解所需的双功能性（即OER和HER），通常通过异质结构制造将不同的纳米结构集成，以进一步优化电催化性能，界面工程和电子调控也能促进了反应中间体的优化化学吸附。
开发高效的双功能电催化剂用于析氧/析氢反应是电化学分解水制氢的关键。高性能电催化剂取决于催化活性和高度可接近的反应位点及其结构稳定性，而合理设计具有所需特性的电催化剂以避免繁琐的制备过程仍然具有挑战性。在此，南京航空航天大学彭生杰、天津大学韩晓鹏等人报道了一种利用晶格匹配生长法在Ni骨架上制备自支撑介孔和异质结构的Fe2O3/CuO的方法，该催化剂对碱性析氧/析氢反应具有高性能，可实现整体水分解。本文报道了一种简便的方法来合成强锚定在镍骨架（MH-TMO）上的介孔和异质结构过渡金属氧化物Fe2O3/CuO。即在Fe(NO3)3和草酸存在下，通过水热反应可以在泡沫镍上合成2D-Fe2O3纳米片。当Cu(NO3)3加入反应中时，CuO多面体可以通过晶格匹配生长在Fe2O3纳米片上，从而形成介孔和异质结构的Fe2O3/CuO（MH-TMO）。Fe2O3和CuO的中孔性质是通过分解金属草酸盐时去除气体分子（如CO2）实现的。纳米多孔结构提供了高的质量传输，使MH-TMO表现出超高的析氧反应催化活性。在10 mAcm-2时具有约0.22 V的极低过电位和低塔菲尔斜率（44.5 mV dec−1），在1.0 M KOH中，实现100 mAcm-2电流密度的过电位低至0.26 V。界面工程还通过电子调节促进了氢中间体的吸附/解吸。双功能MH-TMO催化剂组装的碱性电解槽具有出色的整体水分解输出（1.49 V@10mAcm−2）并具有长期稳定性，优于用贵金属基催化剂组装的催化剂。密度泛函理论（DFT）计算表明，d带中心的下移和金属中心电子态的窄局部化使水和氢中间体的吸收/脱附得到优化，从而为电催化提供了低能垒。具有电催化活性Fe–O–Cu桥的MH-TMO具有最佳的氧结合能，以促进氧分子对氧中间体的吸附/解吸（铁位）。因此，这项工作提供了具有高介孔率和独特异质结构的过渡金属氧化物的简易制备，并扩展了当前电化学能量转换系统的材料储备，使其能够进一步部署。
Feng Hu, Deshuang Yu, MinYe, Hui Wang, Yanan Hao, Luqi Wang, Linlin Li, Xiaopeng Han, Shengjie Peng, Lattice-Matching Formed Mesoporous Transition Metal OxideHeterostructures Advance Water Splitting by Active Fe–O–Cu Bridges, Adv. Energy Mater. 2022, 22000. https://doi.org/10.1002/aenm.202200067
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氢能是实现碳中和的关键技术，其中电解水制氢催化剂的研发是核心。Pt基催化剂由于其优异的催化性能，通常被认为是最有效的析氢反应(HER)电催化剂。然而，Pt基材料的稀缺性和高成本限制了其大规模的实际应用。此外，大多数HER催化剂只能在酸性或碱性条件下工作，难以适应电解水过程中pH的变化。因此，合理设计pH通用的HER电催化剂是至关重要的，但仍然是一个巨大的挑战。金属有机框架(MOFs)因其周期性的多孔结构、高比表面积和可调节的化学成分在电催化领域中受到越来越多的关注。特别是，二维(2D)MOFs纳米片有望提供大量暴露的活性位点以及快速的传质。然而，MOFs的导电性差并且金属中心的本征活性低，这极大地限制了它们作为电催化剂的应用。当前，具有半金属特性的MXene表现出高效的电荷传输、丰富的表面化学性质和优异的耐腐蚀性，以确保催化剂在复杂的电催化环境中保持结构稳定性和催化活性。因此，MXene与二维MOFs所形成的2D/2D异质结构界面有望产生独特的电子耦合特性，以增强催化性能。
南京航空航天大学彭生杰教授课题组等人通过设计定义明确的界面化学键桥以优化金属有机框架(MOFs)的催化活性，应用于pH普适性析氢反应。具体来说，采用一种简便的超声辅助原位生长策略将MXene与CoBDC纳米片耦合，得到紧密连接的2D/2D异质结构。具有高导电性和理想亲水性的多功能MXene纳米片作为桥接载体可以确保结构的稳定性以及暴露出更多的活性位点。此外，在界面处形成的Co-O-Ti键桥有效地触发了电荷转移并调节了Co活性位点的电子结构，从而增强了反应动力学。因此，优化后的CoBDC/MXene呈现出29、41和76 mV较低的HER过电位分别在碱性、酸性和中性电解质中达到10 mA cm-2的电流密度。理论计算表明，界面桥接引起的电子重新分布优化了水解离和氢吸附的自由能，从而改善了HER反应能垒。该研究不仅为在所有pH条件下的高效HER提供了一种新型电催化剂，而且为设计高活性催化体系开辟了一条新途径。该文章以Electronic Modulation of Metal-Organic Frameworks by Interfacial Bridging for Efficient pH-Universal Hydrogen Evolution为题，发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。
Luqi Wang, Li Song, Zhenyu Yang, Yu-Ming Chang, Feng Hu, Lei Li*, Linlin Li*, Han-Yi Chen, and Shengjie Peng*，Electronic modulation of metal-organic frameworks by interfacial bridging for efficient pH-universal hydrogen evolution, Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202210322.
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锂离子电池（LIB）作为间歇性能源（如风能和太阳能）的储能解决方案以及计算机、通信设备、消费电子产品和电动汽车等移动设备的主要电源被广泛研究。在移动设备中，电池的能量密度具有重要意义，因为它直接反映了设备单次充电的最大使用时长。随着人们生活水平的快速提高，对低成本、高能量密度电池系统的需求不断上升。硅（Si）由于其高比容量、低锂化电位和天然丰度，是下一代锂离子电池最有前途的负极材料之一。然而，锂储存过程中体积的巨大变化，以及该元素的低导电性阻碍其商业化应用。设计微纳结构以及异质材料的复合材料被证明是解决这些问题的有效策略。静电纺丝技术是一种经济且可扩展的方法，可轻松构建独特的分层微纳结构，同时实现异质材料的复合。迄今为止，已经投入了许多努力来解决硅基负极存在的问题。
南京航空航天大学彭生杰教授团队、新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授和澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授综述了静电纺丝法构筑高性能硅基负极材料的研究成果。首先简要介绍了电纺硅基材料的制备过程，然后回顾了具有各种微纳结构（包括实心、核壳、多孔和空心结构）的电纺硅基纤维的设计思路和制备策略（图1）。这些结构的构筑在一定程度上缓解了硅基负极充放电过程中，应力引起的粉化、体积的巨大变化和不稳定的固体电解质界面(SEI)膜生成。接着，从材料宏观结构的角度总结了电纺硅基纤维作为自支撑柔性电极的历史和发展前景，以及电纺硅、硅衍生物和复合异质材料的锂存储性能。最后，对电纺硅基材料的未来发展提出了我们的想法和愿景。
Tailoring the structure of silicon-based materials for lithium-ion batteries via electrospinning technology A.M. Huang, Y.C. Ma, J. Peng, L.L. Li, S.-L. Chou, S. Ramakrishna, S.J. Peng* DOI: 10.1016/j.esci.2021.11.006
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电解水作为一种高效、环保的制氢技术，正在大规模应用的道路上蓬勃发展。当前，贵金属基催化剂在电解水的半反应-析氢反应（HER）中被广泛研究。然而，贵金属基催化剂的含量稀缺与高昂价格极大限制相关器件的进一步规模化发展。非贵金属化与大电流下稳定性是当前HER催化剂研究中所亟待解决的关键问题。合适的界面接触可以通过电荷相互作用提高界面位点的活性，同时保留单个材料的典型特征。无机材料的杂化是构建异质面的最常用途径。无机材料的异质界面依靠晶格接触来实现电子耦合和转移，从而提供具有高本征活性的催化位点。此外，界面的稳定性与接触晶面的晶格匹配程度密切相关。晶体的各向异性热膨胀和催化剂的结构重组会降低晶格匹配程度，导致高电流条件下异质界面的破坏。因此，在保持高效的界面电子相互作用的同时，提高异质界面的稳定性是一个挑战。 与无机材料的异质结构相比，基于无机材料和导电聚合物的有机-无机混合界面在电催化领域受到的关注较少。事实上，导电聚合物的π-π共轭和无机材料的周期性排列晶格之间的相互作用赋予了异质结构丰富而独特的特性，这使得混合界面在电催化中表现出独特的活性。重要的是，具有无定形相的导电聚合物在高电流密度下表现出较少的结构坍塌和形态变化，这可以有效增加异质界面的结构稳定性。
本工作以在碱性环境下的HER过程中具有相重建的特性的草酸盐（CoC2O4）作为无机材料的研究模型，通过电沉积法构建了由聚苯胺（PANI）和草酸盐组成的有机-无机混合结构。草酸盐在碱性条件下的HER过程中形成了真正的活性相氢氧化物。来自泡沫镍基底的Ni元素自取代有利于提高氢氧化物的导电性。由于PANI和金属位点之间具有强π-d电子耦合，在草酸盐相变过程中，PANI层可以有效保持结构稳定。PANI和活性相之间的π-d电子耦合被继承下来，以促进电子结构优化和金属位点的本征活性增强。基于此，有机-无机混合结构在碱性环境下的高电流密度中表现出令人惊喜的HER活性和稳定性。由Co0.59Ni0.41C2O4@PANI/NF重组形成的活性结构Co0.59Ni0.41(OH)2@PANI/NF在1 mol L−1 KOH中进行HER时，在−10 mA cm−2下的过电位仅为43 mV。当工作电流密度上升到−1000 mA cm−2以上时，杂化结构表现出的性能超过了商用Pt/C，并保持30小时的工作而没有明显的活性下降。
Zhao, S., Yin, L., Deng, L., Song, J., Chang, Y.-M., Hu, F., Wang, H., Chen, H.-Y., Li, L., Peng, S., Inheritable Organic-Inorganic Hybrid Interfaces with π–d Electron Coupling for Robust Electrocatalytic Hydrogen Evolution at High-Current-Densities. Adv. Funct. Mater. 2022, 2211576. https://doi.org/10.1002/adfm.202211576
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电解水制氢具有无碳排放、产品纯度高、成本效益高等突出优势，对发展绿色氢能具有良好的应用前景。其中，阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）是整个水裂解过程中的两个半反应。然而，电解水过程中的OER存在较大的动力学能垒阻碍了整个水分解过程。相比之下，尿素氧化反应（UOR）在热力学上比OER更有利，其电位比传统的电解水反应低0.37 V，能够降低能量消耗。因此，开发同时实现UOR和HER的高效电催化剂具有简化催化体系和降低产氢成本的综合优点，具有很大的实际应用潜力。
南京航空航天大学彭生杰教授团队设计开发了一种新型Fe-Co0.85Se/FeCo LDH异质结电催化剂。独特异质结构中的局部环境通过界面化学键来调节，加速了相邻活性位点之间的电子转移，从而优化电子构型，稳定关键反应中间体，促进HER和UOR动力学。得益于优化的d带中心和优化的反应中间体吸/脱附，Fe-Co0.85Se/FeCo LDH异质结构表现出优异的双功能催化性能，UOR和HER分别需要1.48和-0.274 V能达到500 mA cm−2的高电流密度，而尿素辅助整体电解制氢体系只需1.57 V就能达到300 mA cm−2，并表现出超过65小时的耐久性。利用原位傅里叶红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）相结合的方法，深入探讨了HER/UOR的反应机理和发生途径。本工作详细讨论了电催化剂活性的界面调制作用，深入研究了构效关系，为设计相关高效能源催化剂拓宽了思路。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials上。
Modulating Local Interfacial Bonding Environment of Heterostructures for Energy-Saving Hydrogen Production at High Current Densities Advanced Functional Materials, doi: 10.1002/adfm.202212811
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人类社会的快速发展大量消耗不可持续的化石能源，并导致CO2等温室气体的排放，造成全球能源短缺和气候变暖等问题。CO2的回收和利用是解决以上问题的重要途径，成为当前国际上能源、环境及材料等领域共同关注的焦点，也是我国实现2060年“碳中和”目标的基础。在众多CO2转化技术中，电催化CO2还原（ECR）可在常温常压和中性电解液等温和条件中进行，且可生成高附加值化学品，具有重要的研究价值和应用前景。金属银（Ag）纳米材料被广泛用作电催化CO2还原催化剂，如何进一步调控Ag催化剂的活性和稳定性是该领域的重要课题。
南京航空航天大学胡峰副研究员、彭生杰教授通过金属巯基分子前驱体（Ag-Cys）原位电化学还原方法构筑了巯基分子包覆和碳支撑的Ag纳米颗粒（Ag-TC），实现了高效CO2还原Ag电催化剂的简单制备。由于强的Ag-S键，原位电还原形成的Ag纳米颗粒具有多孔碳支撑和半胱氨酸包覆。高比表面积和Ag-S强相互作用，显著提高了ECR活性和稳定性。进一步，通过交替的覆盖和去除Ag箔表面的半胱氨酸等氨基酸分子及ECR性能研究，验证并预测了多种氨基酸分子对Ag催化性能的调控作用。这一工作为分子修饰金属电催化剂对ECR作用的系统性研究提供了前瞻性探索。
Ying Chen, Feng Hu*, Yanan Hao, Yonghan Wang, Yaoyi Xie, Hui Wang, Lijie Yin, Deshuang Yu, Hongchao Yang, Jun Ma, Dan Kai, Linlin Li & Shengjie Peng*. In situ construction of thiol-silver interface for selectively electrocatalytic CO2 reduction. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3978-7.
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水分解和金属空气电池是缓解能源问题的两种有前途的能源技术。析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)是上述能源技术中的三个关键反应。然而，由于实际工作中的高过电位导致HER/OER/ORR动力学缓慢，极大地限制了工作效率。因此，能够可逆地催化氧和氢电催化的低成本、稳定的催化剂对于提高水分解和可充电金属空气电池的效率是必不可少的。
基于此，南京航空航天大学彭生杰、李林林和天津大学韩晓鹏等通过水热-硒化-杂化策略在CC上连续生长3D强耦合三元杂化纳米结构阵列(HNA)(CoSe2@CoNi LDH HNA)，其中分支和排列的CoSe2纳米管被CoNi LDH纳米片覆盖。CoSe2纳米管阵列(B-CoSe2)和CoNi LDH纳米片之间的中空结构和强耦合效应使CoSe2@CoNi LDH HNA具有良好的物质传输能力、快速动力学以及丰富的活性位点。因此，CoSe2@CoNi LDH HNA显示出高效的OER(240 mV@10 mA cm-2)、HER(100 mV@10 mA cm-2)和ORR(E1/2为0.81 V)催化活性。此外，以CoSe2@CoNi LDH HNA作为电极的水电解槽仅需1.58 V即可达到10 mA cm-2的电流密度；基于CoSe2@CoNi LDH的锌-空气电池显示出181.5 mW cm-2的高功率密度，优于Pt/C催化剂(142.2 mW cm-2)。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，优异的电化学性能归因于CoSe2中空纳米管和 CoNi LDH纳米片之间的异质界面、有利的分支形态导致CoSe2@CoNi LDH HNA的3D中空结构具有加速的反应动力学、丰富的活性位点和对反应物的合理吸附能。预计这项工作可以为各种能量存储和转换技术的高效多功能电催化剂的合理设计和结构工程提供策略。
Heterointerface Engineering of Hierarchically Assembling Layered Double Hydroxides on Cobalt Selenide as Efficient Trifunctional Electrocatalysts for Water Splitting and Zinc-Air Battery. Advanced Science, 2022. DOI: 10.1002/advs.202104522
南京航空航天大学研究生院(南京航空航天大学研究生院官网)
