江苏大学Small：绿色制氢催化材料新成员SnSe 二维压电材料，高效制氢显优势 | 前沿用户报道

2022-11-25 09:38:30, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

绿色制氢

SnSe入选理想压电催化材料候选体系

被誉为21世纪“终极能源”，氢能可谓市场前景广阔，水分解绿色制氢更是重要发展方向。压电纳米材料可将机械能转化为化学能，为绿色氢能制备提供了一种崭新路径，有望进一步推动绿色制氢技术的发展，但目前大多数压电纳米材料的催化效率仍然有待提升。 

二维铁电/压电材料具有高电导率/迁移率、优异的铁电/压电特性、相对窄的带隙宽度、丰富的表面催化活性位点等优势，因而在压电催化领域极具潜力。在所有二维铁电/压电材料中，SnSe 材料具有理论预测最高压电响应、以及高迁移率和易形变特性等性质，成为理想压电催化材料候选体系，有望应用于进一步提升机械能驱动绿色水分解制氢催化反应效率。

首次报道

江苏大学利用 SnSe高效催化产氢

近期，江苏大学量子与可持续性技术研究院团队首次报道选取 SnSe 二维材料作为压电催化材料，得益于 SnSe 易形变特性（杨氏模量为24.3至27.7 GPa）、单层材料极高的压电系数（d11 = 250.58 pm V−1）和高理论迁移率（11000 cm2 V−1 s−1），实现了高效超声机械力驱动水分解产氢（效率高达948.4 µmol g−1 h−1），远超大多数已报道的其他压电催化材料产氢效率。 

相关成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”为题在Small上。这充分体现了 SnSe 二维材料在绿色催化反应中的优势，对进一步推动绿色制氢产业技术发展具有重要意义。

性能表征

研究论证SnSe材料压电及催化性能

研究过程中，江苏大学团队首先对 SnSe 二维材料的结构压电性质进行表征分析。研究人员通过简单的热注入化学法合成 SnSe 单晶纳米片，采用差分相位衬度-扫描透射电子显微成像(DPC-STEM)这一新兴技术，在纳米尺度下观察到了 SnSe 材料内部的铁电畴结构，间接验证了其具有铁电/压电响应。

图1. SnSe二维纳米材料的微观结构分析图

另一方面，研究团队与 HORIBA 位于上海的应用中心专家合作，采用LabRAM Nano 配备的 SmartSPM 压电响应力显微镜（PFM）模块深入研究了 SnSe 纳米材料的压电/铁电性能，观测到了铁电畴结构。通过施加−10 V至+10 V的偏压，在面内方向得到了典型的蝴蝶曲线，进一步证实了 SnSe 纳米片具有面内压电/铁电性。

图2. SnSe 二维纳米材料的PFM表征分析图

对 SnSe 二维材料的压电性质完成表征分析后，研究团队进一步评估了SnSe 纳米片在超声机械力作用下水分解制氢性能。以三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂，在100 W 和45 kHz 的超声波作用下，SnSe 纳米片相比于纳米颗粒和微米样品表现出更优的压电催化活性，产氢效率高达4742.9 μmol g−1。此外，计算表明 SnSe 纳米片的共振频率约为43.6 kHz，这与获得最高产氢效率的超声条件(45 kHz)接近，表明材料的压电响应在机械能驱动分解水催化反应中起到关键作用。

图3. SnSe 二维纳米材料在超声机械力作用下分解水产氢性能及压电电流相应图

课题组介绍

李顺，江苏大学金山特聘教授。

2015年获得加拿大国家科学研究所（INRS）能源与材料科学博士学位。曾任南方科技大学副研究员。研究方向主要为铁/压电/热电/热电纳米材料在能量转换及催化中的应用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等国际知名期刊上发表论文80余篇。发表论文被引用3000余次，H指数33。申请专利数十项，获批国家自然科学基金2项。

张建明博士现任江苏大学化学化工学院教授，博导，江苏特聘教授。

2013年获得加拿大国家科学院（INRS）材料科学博士学位。2016年9月加入江苏大学化学化工学院，组建功能复合材料研究团队。专注于新能源材料、电子信息材料、环保材料的基础和应用研究。主持国家自然科学基金、科技部重点研究计划子项目、江苏省特聘教授等多项国家、省部级科研项目。

仪器使用评价

“实验中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配备的 SmartSPM 模块对纳米材料的压电/铁电性能进行表征。其配备了多种 SPM 测量模式，如开尔文探针模式（表面电势，SKM，KPFM）、压电响应模式（PFM），可以实现对纳米压电/铁电材料电畴、表面电势等性质的全方位、快速、自动化表征分析。”

HORIBA 科学仪器应用中心

本次实验中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光谱仪

(升级型号：LabRAM Odyssey Nano)

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