超薄二维压电半导体机械催化分解水制氢机制研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21802007
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.5万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0202.催化化学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

It is a potential technology to solve the environment and energy issues by converting mechanical energy to hydrogen energy. On the basis of the ability to convert mechanical energy into electrical energy for piezoelectric semiconductor, this project proposes a mechano-catalytic water overall splitting to produce hydrogen over ultra-thin 2D piezoelectric semiconductor system by using the large mechanical energy capture cross-sectional area, sufficient active sites, and easy deformation of ultra-thin 2D piezoelectric semiconductor, to achieve effective H2 production from water decomposition at room temperature and pressure. Based on the research about the piezoelectric potential and charge distribution, crystal and energy band structure, as well as mechano-catalytic rate and selectivity under mechanical force, we aim to clarify the relationships among the above results and reveal the interaction mechanism and mutual influence rule between piezoelectric property and mechano-catalytic reaction. This project will develop some practical and effective mechano-catalysts for H2 evolution from water splitting. Besides, it is also expected to provide technical support about material design and application in converting effectively mechanical energy to hydrogen energy with high energy density.
将机械能量转化成氢能是解决环境与能源问题的潜在技术。本项目基于压电半导体能够将机械能转化为电能的特性,利用超薄二维纳米片大的机械能捕获截面积,充足的活性位点以及易形变性,提出构建超薄二维压电半导体机械催化纯水分解制氢体系,实现常温常压下纯水的分解制氢。通过研究并关联超薄二维纳米片在机械力作用下压电电势的大小与电荷分布规律,半导体晶体结构与能级结构以及催化速率与产物选择性,归纳并阐明机械催化纯水分解过程中压电性质与催化反应之间相互作用机制和影响规律。通过本项目的研究,可望开发出实用、高效的机械催化纯水分解制氢材料,也将为高效利用机械能转化成高能量密度的氢能提供材料设计及应用技术支持。

结项摘要

本项目基于机械催化技术面临的材料体系局限,催化效率低以及催化机理不清等现状,聚焦于薄层压电材料的设计与合成,并探究其压电催化分解水制氢机制与性能。项目组先后开发了三类薄层压电材料:①针对目前报道的少层MoS2其压电性表现出层数依赖性的特点,采用掺杂手段,打破其相邻原子层之间的对称性,使其压电性不受层数限制,赋予其无层数依赖压电性;②通过形貌控制,获得薄层非层状本征压电半导体ZnS,使其压电性显著优于块体ZnS;③以层状非压电体——石墨烯为载体,通过组分调节或局域极化结构引入以赋予其局域压电特性,并成功制备了系列具有压电特性的薄层石墨烯基压电体,包括:氮掺杂石墨烯片(NG),氮掺杂石墨烯包覆碳化钼纳米组装片(MoC@NG)以及Zn, N共掺杂石墨烯层(ZnNG)。随后将其成功应用于机械催化分解水制氢并均表现出优良性能。其中,MoC@NG组装片机械催化纯水分解制氢速率达到了当时报道的最高值,ZnS超薄片其机械催化纯水分解制氢速率同样位于前列,ZnNG更是实现了低频搅拌力驱动机械催化分解水制氢。最后综合运用理论模拟、分析和实验表征等手段系统揭示了其微观结构、压电特性以及结构与压电性之间的关系,证实了局域极化结构对薄层材料压电性之间的相互关联性,并阐释了不同薄层催化剂体系机械催化分解水制氢机理。本项目取得的研究成果为开发新型高效机械催化材料提供了多种思路和策略,也为开发新型实用性机械催化材料开辟了新的方向。 此外,本项目还成功设计合成了两种含有压电组分的催化剂(Cl掺杂ZnO纳米棒和PbTiO3/CdS复合材料),并将其应用于机械-光协同催化领域,系统揭示了其协同催化耦合效应优化机制,该部分工作为发展双能转换技术提供了理论参考。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Insight into the piezo-photo coupling effect of PbTiO3/CdS composites for piezo-photocatalytic hydrogen production
深入了解 PbTiO3/CdS 复合材料用于压电光催化制氢的压电光耦合效应
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2020.119586
  • 发表时间:
    2021-03-01
  • 期刊:
    APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL
  • 影响因子:
    22.1
  • 作者:
    Huang, Xueyan;Lei, Rui;Liu, Ping
  • 通讯作者:
    Liu, Ping
Tuning the interfacial electronic structure via Au clusters for boosting photocatalytic H2 evolution
通过金团簇调节界面电子结构以促进光催化析氢
  • DOI:
    10.1039/d0ta09217g
  • 发表时间:
    2021-01-21
  • 期刊:
    JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Feng, Wenhui;Lei, Yanhua;Weng, Bo
  • 通讯作者:
    Weng, Bo
Free layer-dependent piezoelectricity of oxygen-doped MoS2 for the enhanced piezocatalytic hydrogen evolution from pure water
氧掺杂 MoS2 的自由层相关压电性用于增强纯水压电催化析氢
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2021.151851
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
    Applied Surface Science
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Rui Lei;Fan Gao;Jie Yuan;Cankun Jiang;Xianzhi Fu;Wenhui Feng;Ping Liu
  • 通讯作者:
    Ping Liu
Crafty design of chemical bonding to construct MoO2/CdS nanorod photocatalysts for boosting hydrogen evolution
巧妙的化学键设计构建MoO2/CdS纳米棒光催化剂以促进析氢
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2019.07.165
  • 发表时间:
    2019-09-13
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Gao, Fan;Huang, Xueyan;Liu, Ping
  • 通讯作者:
    Liu, Ping
Piezopotential-driven simulated electrocatalytic nanosystem of ultrasmall MoC quantum dots encapsulated in ultrathin N-doped graphene vesicles for superhigh H2 production from pure water
压电势驱动模拟电催化纳米系统,封装在超薄氮掺杂石墨烯囊泡中的超小型 MoC 量子点,用于从纯水中产生超高产氢
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2020.104990
  • 发表时间:
    2020-09-01
  • 期刊:
    NANO ENERGY
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Feng, Wenhui;Yuan, Jie;Zhang, Shiying
  • 通讯作者:
    Zhang, Shiying

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其他文献

多输入多输出Hammerstein系统和Wiener系统的适应调节
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    系统科学与数学
  • 影响因子:
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  • 作者:
    冯文辉;陈翰馥;赵文虓
  • 通讯作者:
    赵文虓
多输入多输出Hammerstein和Wiener冰系统的适应调节
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    系统科学和数学
  • 影响因子:
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    冯文辉;陈翰馥;赵文虓
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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