綠色制氫

SnSe入選理想壓電催化材料候選體系
被譽(yù)為21世紀(jì)“終 極能源”，氫能可謂市場(chǎng)前景廣闊，水分解綠色制氫更是重要發(fā)展方向。壓電納米材料可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為綠色氫能制備提供了一種嶄新路徑，有望進(jìn)一步推動(dòng)綠色制氫技術(shù)的發(fā)展，但目前大多數(shù)壓電納米材料的催化效率仍然有待提升。 

二維鐵電/壓電材料具有高電導(dǎo)率/遷移率、優(yōu)異的鐵電/壓電特性、相對(duì)窄的帶隙寬度、豐富的表面催化活性位點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，因而在壓電催化領(lǐng)域極具潛力。在所有二維鐵電/壓電材料中，SnSe 材料具有理論預(yù)測(cè)最 高壓電響應(yīng)、以及高遷移率和易形變特性等性質(zhì)，成為理想壓電催化材料候選體系，有望應(yīng)用于進(jìn)一步提升機(jī)械能驅(qū)動(dòng)綠色水分解制氫催化反應(yīng)效率。 

首次報(bào)道

江蘇大學(xué)利用 SnSe高效催化產(chǎn)氫
近期，江蘇大學(xué)量子與可持續(xù)性技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道選取 SnSe 二維材料作為壓電催化材料，得益于 SnSe 易形變特性（楊氏模量為24.3至27.7 GPa）、單層材料極高的壓電系數(shù)（d11 = 250.58 pm V?1）和高理論遷移率（11000 cm2 V?1 s?1），實(shí)現(xiàn)了高效超聲機(jī)械力驅(qū)動(dòng)水分解產(chǎn)氫（效率高達(dá)948.4?μmol?g?1 h?1），遠(yuǎn)超大多數(shù)已報(bào)道的其他壓電催化材料產(chǎn)氫效率。 

相關(guān)成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”為題在Small上。這充分體現(xiàn)了 SnSe 二維材料在綠色催化反應(yīng)中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)綠色制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。 

性能表征

研究論證SnSe材料壓電及催化性能

研究過程中，江蘇大學(xué)團(tuán)隊(duì)首先對(duì) SnSe  二維材料的結(jié)構(gòu)壓電性質(zhì)進(jìn)行表征分析。研究人員通過簡(jiǎn)單的熱注入化學(xué)法合成 SnSe 單晶納米片，采用差分相位襯度-掃描透射電子顯微成像(DPC-STEM)這一新興技術(shù)，在納米尺度下觀察到了 SnSe 材料內(nèi)部的鐵電疇結(jié)構(gòu)，間接驗(yàn)證了其具有鐵電/壓電響應(yīng)。 

圖1. SnSe二維納米材料的微觀結(jié)構(gòu)分析圖

另一方面，研究團(tuán)隊(duì)與 HORIBA 位于上海的應(yīng)用中心專家合作，采用LabRAM Nano 配備的 SmartSPM 壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）模塊深入研究了 SnSe 納米材料的壓電/鐵電性能，觀測(cè)到了鐵電疇結(jié)構(gòu)。通過施加?10 V至+10 V的偏壓，在面內(nèi)方向得到了典型的蝴蝶曲線，進(jìn)一步證實(shí)了 SnSe 納米片具有面內(nèi)壓電/鐵電性。 

圖2. SnSe 二維納米材料的PFM表征分析圖

對(duì) SnSe 二維材料的壓電性質(zhì)完成表征分析后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了SnSe 納米片在超聲機(jī)械力作用下水分解制氫性能。以三乙醇胺(TEOA)作為犧牲劑，在100 W 和45 kHz 的超聲波作用下，SnSe 納米片相比于納米顆粒和微米樣品表現(xiàn)出更優(yōu)的壓電催化活性，產(chǎn)氫效率高達(dá)4742.9 μmol?g?1。此外，計(jì)算表明 SnSe 納米片的共振頻率約為43.6 kHz，這與獲得最 高產(chǎn)氫效率的超聲條件(45  kHz)接近，表明材料的壓電響應(yīng)在機(jī)械能驅(qū)動(dòng)分解水催化反應(yīng)中起到關(guān)鍵作用。 

圖3. SnSe 二維納米材料在超聲機(jī)械力作用下分解水產(chǎn)氫性能及壓電電流相應(yīng)圖

課題組介紹

李順，江蘇大學(xué)金山特聘教授。

2015年獲得加拿大國(guó)家科學(xué)研究所（INRS）能源與材料科學(xué)博士學(xué)位。曾任南方科技大學(xué)副研究員。研究方向主要為鐵/壓電/熱電/熱電納米材料在能量轉(zhuǎn)換及催化中的應(yīng)用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文80余篇。發(fā)表論文被引用3000余次，H指數(shù)33。申請(qǐng)專 利數(shù)十項(xiàng)，獲批國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)。

張建明博士 現(xiàn)任江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，博導(dǎo)，江蘇特聘教授。

2013年獲得加拿大國(guó)家科學(xué)院（INRS）材料科學(xué)博士學(xué)位。2016年9月加入江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，組建功能復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)。專注于新能源材料、電子信息材料、環(huán)保材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重 點(diǎn)研究計(jì)劃子項(xiàng)目、江蘇省特聘教授等多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目。

儀器使用評(píng)價(jià)

“實(shí)驗(yàn)中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配備的 SmartSPM 模塊對(duì)納米材料的壓電/鐵電性能進(jìn)行表征。其配備了多種 SPM 測(cè)量模式，如開爾文探針模式（表面電勢(shì)，SKM，KPFM）、壓電響應(yīng)模式（PFM），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米壓電/鐵電材料電疇、表面電勢(shì)等性質(zhì)的全方位、快速、自動(dòng)化表征分析?！?nbsp;

HORIBA 科學(xué)儀器應(yīng)用中心

本次實(shí)驗(yàn)中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光譜儀 

(升級(jí)型號(hào)：LabRAM Odyssey Nano) 

如果您對(duì)上述產(chǎn)品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會(huì)及時(shí)為您答疑解惑。

綠色制氫

SnSe入選理想壓電催化材料候選體系

被譽(yù)為21世紀(jì)“終 極能源”，氫能可謂市場(chǎng)前景廣闊，水分解綠色制氫更是重要發(fā)展方向。壓電納米材料可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為綠色氫能制備提供了一種嶄新路徑，有望進(jìn)一步推動(dòng)綠色制氫技術(shù)的發(fā)展，但目前大多數(shù)壓電納米材料的催化效率仍然有待提升。 

二維鐵電/壓電材料具有高電導(dǎo)率/遷移率、優(yōu)異的鐵電/壓電特性、相對(duì)窄的帶隙寬度、豐富的表面催化活性位點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，因而在壓電催化領(lǐng)域極具潛力。在所有二維鐵電/壓電材料中，SnSe 材料具有理論預(yù)測(cè)最 高壓電響應(yīng)、以及高遷移率和易形變特性等性質(zhì)，成為理想壓電催化材料候選體系，有望應(yīng)用于進(jìn)一步提升機(jī)械能驅(qū)動(dòng)綠色水分解制氫催化反應(yīng)效率。 

首次報(bào)道

江蘇大學(xué)利用 SnSe高效催化產(chǎn)氫
近期，江蘇大學(xué)量子與可持續(xù)性技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道選取 SnSe 二維材料作為壓電催化材料，得益于 SnSe 易形變特性（楊氏模量為24.3至27.7 GPa）、單層材料極高的壓電系數(shù)（d11 = 250.58 pm V?1）和高理論遷移率（11000 cm2 V?1 s?1），實(shí)現(xiàn)了高效超聲機(jī)械力驅(qū)動(dòng)水分解產(chǎn)氫（效率高達(dá)948.4?μmol?g?1 h?1），遠(yuǎn)超大多數(shù)已報(bào)道的其他壓電催化材料產(chǎn)氫效率。 

相關(guān)成果以“Mechanically Induced Highly Efficient Hydrogen Evolution from Water over Piezoelectric SnSe nanosheets”為題在Small上。這充分體現(xiàn)了 SnSe 二維材料在綠色催化反應(yīng)中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)綠色制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。 

性能表征

研究論證SnSe材料壓電及催化性能

研究過程中，江蘇大學(xué)團(tuán)隊(duì)首先對(duì) SnSe  二維材料的結(jié)構(gòu)壓電性質(zhì)進(jìn)行表征分析。研究人員通過簡(jiǎn)單的熱注入化學(xué)法合成 SnSe 單晶納米片，采用差分相位襯度-掃描透射電子顯微成像(DPC-STEM)這一新興技術(shù)，在納米尺度下觀察到了 SnSe 材料內(nèi)部的鐵電疇結(jié)構(gòu)，間接驗(yàn)證了其具有鐵電/壓電響應(yīng)。 

圖1. SnSe二維納米材料的微觀結(jié)構(gòu)分析圖

另一方面，研究團(tuán)隊(duì)與 HORIBA 位于上海的應(yīng)用中心專家合作，采用LabRAM Nano 配備的 SmartSPM 壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）模塊深入研究了 SnSe 納米材料的壓電/鐵電性能，觀測(cè)到了鐵電疇結(jié)構(gòu)。通過施加?10 V至+10 V的偏壓，在面內(nèi)方向得到了典型的蝴蝶曲線，進(jìn)一步證實(shí)了 SnSe 納米片具有面內(nèi)壓電/鐵電性。 

圖2. SnSe 二維納米材料的PFM表征分析圖

對(duì) SnSe 二維材料的壓電性質(zhì)完成表征分析后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了SnSe 納米片在超聲機(jī)械力作用下水分解制氫性能。以三乙醇胺(TEOA)作為犧牲劑，在100 W 和45 kHz 的超聲波作用下，SnSe 納米片相比于納米顆粒和微米樣品表現(xiàn)出更優(yōu)的壓電催化活性，產(chǎn)氫效率高達(dá)4742.9 μmol?g?1。此外，計(jì)算表明 SnSe 納米片的共振頻率約為43.6 kHz，這與獲得最 高產(chǎn)氫效率的超聲條件(45  kHz)接近，表明材料的壓電響應(yīng)在機(jī)械能驅(qū)動(dòng)分解水催化反應(yīng)中起到關(guān)鍵作用。 

圖3. SnSe 二維納米材料在超聲機(jī)械力作用下分解水產(chǎn)氫性能及壓電電流相應(yīng)圖

課題組介紹

李順，江蘇大學(xué)金山特聘教授。

2015年獲得加拿大國(guó)家科學(xué)研究所（INRS）能源與材料科學(xué)博士學(xué)位。曾任南方科技大學(xué)副研究員。研究方向主要為鐵/壓電/熱電/熱電納米材料在能量轉(zhuǎn)換及催化中的應(yīng)用。在 Nature Photon., Prog. Mater. Sci., Mater. Horizon., Nano Energy, Small 等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文80余篇。發(fā)表論文被引用3000余次，H指數(shù)33。申請(qǐng)專 利數(shù)十項(xiàng)，獲批國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)。

張建明博士 現(xiàn)任江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，博導(dǎo)，江蘇特聘教授。

2013年獲得加拿大國(guó)家科學(xué)院（INRS）材料科學(xué)博士學(xué)位。2016年9月加入江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，組建功能復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)。專注于新能源材料、電子信息材料、環(huán)保材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重 點(diǎn)研究計(jì)劃子項(xiàng)目、江蘇省特聘教授等多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目。

儀器使用評(píng)價(jià)

“實(shí)驗(yàn)中使用 HORIBA LabRAM HR Nano 配備的 SmartSPM 模塊對(duì)納米材料的壓電/鐵電性能進(jìn)行表征。其配備了多種 SPM 測(cè)量模式，如開爾文探針模式（表面電勢(shì)，SKM，KPFM）、壓電響應(yīng)模式（PFM），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米壓電/鐵電材料電疇、表面電勢(shì)等性質(zhì)的全方位、快速、自動(dòng)化表征分析?！?nbsp;

HORIBA 科學(xué)儀器應(yīng)用中心 

本次實(shí)驗(yàn)中使用的 LabRAM HR Nano 拉曼光譜儀 

(升級(jí)型號(hào)：LabRAM Odyssey Nano) 

如果您對(duì)上述產(chǎn)品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會(huì)及時(shí)為您答疑解惑。

研究背景及成果

應(yīng)變工程是指通過拉伸或壓縮等應(yīng)變技術(shù)來調(diào)控材料性能或優(yōu)化相關(guān)器件性能。近些年來，隨著二維材料的興起，基于它的應(yīng)變工程研究變得火熱起來。但現(xiàn)有的二維材料應(yīng)變技術(shù)（如拉伸襯底、產(chǎn)生氣泡等），重復(fù)性及靈活性差，因此如何實(shí)現(xiàn)微區(qū)可控復(fù)雜應(yīng)變成為應(yīng)變工程發(fā)展的重要方向之一。

在此背景下，中科院物理所納米實(shí)驗(yàn)室N10組提出了一種非接觸式應(yīng)變直寫技術(shù)。該技術(shù)可以在二維材料中準(zhǔn)確寫入納米到微米尺度設(shè)計(jì)圖案的應(yīng)變。這項(xiàng)全新應(yīng)變技術(shù)，具備高度的靈活性以及半導(dǎo)體工藝兼容性，有望進(jìn)一步推進(jìn)二維材料在納米機(jī)電系統(tǒng)、高性能傳感和非傳統(tǒng)光伏到量子信息科學(xué)等廣泛領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

相關(guān)成果"Strain lithography for two-dimensional materials by electron irradiation."已在Applied Physics Letters 上發(fā)表。

實(shí)驗(yàn)思路及結(jié)果驗(yàn)證

光刻膠材料 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在電子束的輻照作用下會(huì)發(fā)生降解（如圖1所示），導(dǎo)致體積發(fā)生變化。光刻膠自身體積的變化，會(huì)進(jìn)一步使附著在其表面的二維材料以及其它薄膜材料發(fā)生形變（如圖2所示）。

基于這個(gè)原理，中科院物理所研究團(tuán)隊(duì)便考慮利用電子束直寫設(shè)備的高精度圖形直寫能力，通過調(diào)控電子束劑量，創(chuàng)造納米級(jí)應(yīng)變分布的可控應(yīng)變結(jié)構(gòu)制備。

圖1 光刻膠（PMMA）的電子輻照降解

圖2 電子束誘導(dǎo)二維材料應(yīng)變

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過控制電子束輻照劑量，中科院物理所研究人員可以有效控制二維材料的應(yīng)變程度（如圖3所示）。拉曼光譜技術(shù)以及光致熒光（PL）光譜技術(shù)是研究半導(dǎo)體應(yīng)變的重要工具，圖4展示了“墨西哥帽狀”復(fù)雜應(yīng)變的PL光譜空間峰位分布圖， HORIBA LabRAM HR Evolution Nano 納米拉曼光譜儀的強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)采集及后處理能力，進(jìn)一步揭示了該方法復(fù)雜應(yīng)變的制備能力，即同時(shí)制備包含拉伸應(yīng)變（紅移）以及壓縮應(yīng)變（藍(lán)移）結(jié)構(gòu)的能力。

圖3 應(yīng)變調(diào)控

圖4 復(fù)雜應(yīng)變空間分布

儀器使用評(píng)價(jià)

“該工作使用 HORIBA 的 LabRAM HR Evolution Nano 納米拉曼光譜儀，可探測(cè)納米級(jí)應(yīng)變分布，使用便捷；處理空間分布數(shù)據(jù)的功能非常強(qiáng)大?！?/p>

實(shí)驗(yàn)室配備的
LabRAM HR Evolution Nano
納米拉曼光譜儀

如果您對(duì)上述產(chǎn)品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會(huì)及時(shí)為您答疑解惑。

課題組介紹
中科院物理所納米實(shí)驗(yàn)室N10組，主要研究方向有：納米材料與納米結(jié)構(gòu)的可控制備、新奇物理特性及器件應(yīng)用研究；自旋、能谷量子態(tài)物性研究及其在量子信息/量子計(jì)算的應(yīng)用;超快磁光激光光譜學(xué)；低維/納米材料物性和器件研究等。

      7月11-13日，催化加氫技術(shù)研討會(huì)在山東濟(jì)南wan美落幕，鏷鐓實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（上海）有限公司帶著氫氣供氣方案參加了此次會(huì)議。

      催化加氫是在氫氣存在下對(duì)石油餾分進(jìn)行催化加工過程的通稱，催化加氫技術(shù)包括加氫處理和加氫裂化兩類。

其中加氫處理是指：

      在加氫反應(yīng)中，只有≤10%的原料油分子變小的加氫技術(shù)，包括對(duì)原料處理和產(chǎn)品精制，如催化重整、催化裂化、渣油加氫等原料的加氫處理；石腦油、汽油、噴氣燃料、柴油、潤(rùn)滑油、石蠟和凡士林加氫精制等。

Proton 專注制氫20多年，其成熟的制氫技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于石油煉制行業(yè)中。

Proton 大流量制氫機(jī)

S10/S20/S40和G4800

主要用于對(duì)石腦油、粗柴油、燃料油等

的加氫精制以提高油品品質(zhì)。

 Proton 大流量制氫機(jī)

Proton S系和G4800大流量制氫機(jī)

均采用質(zhì)子交換膜技術(shù)產(chǎn)生氫氣，

輸出壓力1-200psi可調(diào)。

S系制氫機(jī)

氫氣純度可達(dá)99.9995%以上

流量范圍4.7-18.8L/min

G4800

氫氣純度可達(dá)99.99999%

流量為4.8L/min

Proton 大流量制氫機(jī)

除了用于石油加氫精制外，

還為石化行業(yè)大型實(shí)驗(yàn)室提供集中供氣，

為實(shí)驗(yàn)室安全用氣提供保障，

例如：上海賽科石化

一臺(tái)G4800可為賽科石化70多臺(tái)氣相色譜、

100多臺(tái)FID檢測(cè)器供氣，

露點(diǎn)可達(dá)-79.5度！