【能源】化学所胡劲松课题组钙钛矿太阳能电池和非贵金属燃料电池研究新进展

导读

近日，化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室胡劲松课题组在钙钛矿太阳能电池界面钝化新策略方面、非贵金属燃料电池催化剂与器件方面取得新进展，相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society、Nature Communications 期刊上。

钙钛矿太阳能电池界面钝化新策略

杂化钙钛矿太阳能电池中表面缺陷通常作为主导非辐射载流子复合的深缺陷更容易形成。各种表面钝化试剂被用来钝化钙钛矿层的表面悬空键（特别是具有低形成能卤化物空位引起的未配位Pb离子缺陷）。其中，有机氯化物通过形成强的Pb-Cl键可以提供有效的钝化效果，但氯离子容易进入钙钛矿晶格，扭曲铅卤八面体结构，引起器件性能与稳定性的问题。

在国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室胡劲松课题组近年来致力于理解钙钛矿表面的缺陷钝化机制并发展相应策略来提升器件转换效率与稳定性（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (45), 18075；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (30), 16388； Natl. Sci. Rev. 2021, 8 (8), nwab047；Mater. Today 2022, 52, 250）。

最近，该课题组开发了一种不同于传统有机氯盐钝化的区域选择多位点有机氯分子钝化新策略，实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件。研究者设计合成了两种含有3个Cl原子的三对氯苯基苯（TCBP）空间异构体（如下图）。利用理论模拟研究了两个有机分子中的Cl原子间距和FAPbI3钙钛矿中最常见相邻碘离子间的距离。发现当分子中Cl原子的距离与钙钛矿中碘离子间的距离高度匹配时，其不饱和的Pb（碘空位）可以被更好地钝化。与均三对氯苯基苯（135-TCBP）相比（结合能为-1.57 eV），偏三对氯苯基苯（124-TCBP）与钙钛矿的相互作用更强（结合能为-2.11 eV），可以提供更高效的钝化效果，表明含多钝化氯位点的有机分子钝化存在位点区域选择性。使用这种含有最佳Cl原子分布的有机分子，实现了认证效率为25.02%的钙钛矿太阳能电池，并且在持续光照下连续运行500小时后仍可保持90%的初始效率。这项工作为分子构型和缺陷钝化之间的关系提供了新的理解，也为发展高效钝化策略实现高效率稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新思路。

相关研究成果近日发表于Journal of the American Chemical Society期刊上（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145 (10), 5872-5879）。论文第一作者为博士后吴劲澎，通讯作者为薛丁江研究员和胡劲松研究员。

区域选择多位点氯原子钝化新策略实现高效钙钛矿电池器件

非贵金属燃料电池催化剂与器件方面新进展

燃料电池是氢能“制储输用”全链条发展的重要环节之一，也是氢能在交通运输行业应用的载体。在全球碳中和愿景对于燃料电池规模化商用的需求背景下，发展非贵金属基高活性与高稳定性的氧还原反应（ORR）催化剂至关重要。

在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的资助下，化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室胡劲松课题组一直致力于开发高活性高稳定性的过渡金属氮碳（M-N-C）基电催化剂及器件。前期开发了级联保护策略普适性地合成系列高载量M-Nx位点氧还原催化剂（Nat. Commun. 2019, 10(1), 1278）；开发了亚稳态岩盐相氧化物介导的方法实现了高密度、小尺寸且高度石墨化碳层与外层多孔碳网络双重保护的M@NC氧还原电催化剂及高性能能源器件（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 7116-7127）；阐释了单原子分散Mn-Nx位点调控局域环境来提升单原子分散Ni-Nx位点电催化性能的机制（Chem. Sci. 2022, 13, 13172）；揭示了高负载Cu-N-C单原子催化剂在反应条件下原位衍生的Cu/CuNC异质界面的协同催化机制等（Natl. Sci. Rev. 2023, 10, nwac248）。

近期，该课题组与合作者们开发了一种界面组装策略，通过构建中空纳米笼结构，将高密度二元单原子Fe/Co-Nx位点限制在多孔壳层内外表面，实现了高位点密度、高位点利用率的二元单原子Fe/Co-Nx氧还原催化剂。催化剂单位电化学有效位点密度可达7.6×1019 sites g-1，超过了绝大多数已报道的M-Nx催化剂，是金属载量相似的常规实心催化剂的3.7倍。在碱性燃料电池和锌空气电池中，FeCo-NCH材料组装器件的峰值功率密度分别为569.0或414.5 mW cm-2，是用金属载量相似的常规实心催化剂组装的对比器件的3.4或2.8倍。这些结果不仅直观地证实了催化位点利用率直接影响燃料电池和锌空电池的功率密度，而且为探索高效低成本的非贵金属电催化剂在各类能源器件中的应用提供了新的思路。相关研究成果发表于Nature Communications期刊（Nat. Commun. 2023, 14, 1822），第一作者为化学所博士生蒋哲和北京化工大学的刘雪瑞与中科院物理所的刘效治博士，通讯作者为化学所胡劲松研究员和唐堂博士以及广西师范大学樊友军教授。

界面组装策略构建高密度高利用率的二元Fe/Co-Nx位点用于高效能源器件

来源：中科院化学所