研究板块-原位固体过氧化物产出（UCR）

近日，本课题组成功开发了一项新颖的电化学技术，能够将尿液中的尿素以固体形式高效分离，这项技术的研究成果已被《Nature Catalysis》接收。

在城市废水处理中，尿素是尿液中主要的含氮物质，提取和转化尿素对于污水处理和资源回收至关重要。我们通过自主研发的电化学技术，在温和条件下实现了尿素的有效分离，并使其以高纯度的固体形式沉淀出来。该技术不但能降低传统处理方式的能耗，还大大简化了后续的处理流程，特别适合集中和分散式的尿液处理系统。该固体形式的尿素产物在农业和环境领域具有显著的应用潜力。作为一种缓释肥料，它能在农田中逐步释放出养分，促进作物生长，提高产量，同时改善土壤质量。此外，在污水处理方面，这项技术通过有效分离尿液中的氮，不仅减少了水体污染，还提供了一种高效的资源回收方式。

得益于我们对催化材料和反应条件的深入研究与优化，这一电化学技术在无需大量能源投入的情况下，展现了极高的分离效率与可操作性，具备广泛的应用价值。我们将继续探索该技术的进一步优化及其在不同领域中的大规模应用。

文章信息：Xinjian Shi^1*, et al. Nature catalysis accepted 2024.https://doiorg/10.1038/s41929-024-01277.3

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研究板块-阳极产双氧水（2e^-  WOR）

双氧水广泛应用于工业和环保领域，尤其在造纸、纺织和污水处理等方面发挥重要作用。然而，传统的双氧水生产工艺耗能大，且运输和储存存在安全隐患。我们团队致力于通过电化学方法，直接在阳极上生成双氧水，提供了一种更高效、便捷且安全的替代方案。与传统的四电子水氧化反应产生氧气不同，两电子水氧化反应能够直接生成双氧水，避免了副产氧气的问题。通过优化电化学反应条件，我们显著提升了双氧水的生成效率。这种方法特别适合现场制备，减少了长途运输所带来的不稳定性和安全风险。催化剂在双氧水的生成过程中起着关键作用。我们系统研究了多种金属氧化物的催化性能，发现钒酸铋具有最高的催化活性和选择性，极大地提升了双氧水的生成效率。通过调控催化剂的表面结构和掺杂如锶、钌等金属元素，我们有效提高了催化剂的稳定性，使其在较低电压下实现高效双氧水生成。此外，我们结合理论计算和实验验证，发现催化剂表面中间体的能量调控对反应效率至关重要。通过调节OH*等中间体的吸附能，进一步提高了双氧水的生成率。为了确保催化剂在长期应用中的稳定性，我们对钒酸铋及其他金属氧化物进行了表面优化，使其在高负荷条件下依然保持良好的反应活性。同时，通过金属掺杂，我们提高了催化剂在光照条件下的反应速率，降低了过电位要求，增强了材料的耐用性。未来，我们团队将继续研究新型金属氧化物催化剂及其他材料组合，进一步提升双氧水电化学合成的效率和催化剂的稳定性。

Selected paper:

Shi, Xinjian, et al. "Understanding activity trends in electrochemical water oxidation to form hydrogen peroxide." Nature communications 8.1 (2017): 701.

Kelly, Sara R., Shi, Xinjian, et al. "ZnO as an active and selective catalyst for electrochemical water oxidation to hydrogen peroxide." ACS Catalysis 9.5 (2019): 4593-4599.

Shi, Xinjian, et al. "Electrochemical synthesis of H2O2 by two-electron water oxidation reaction." Chem 7.1 (2021): 38-63.

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研究板块-高效光催化剂

光催化剂在清洁能源和环保领域中具有重要地位，尤其在光解水和催化反应中发挥关键作用。我们团队专注于开发高效、稳定的光催化剂，以提高光催化技术的性能并推动其广泛应用。在我们的研究中，钒酸铋是重点材料之一。尽管钒酸铋具备良好的光响应能力，但其光电转换效率仍有改进空间。为此，我们通过在钒酸铋中掺入钼元素并引入金纳米球修饰，大幅增强了材料的光吸收效率。该结构利用了等离子体诱导的能量转移机制，不仅提升了光子的吸收，还有效增强了电荷的分离与传输效率，显著提升了光催化活性，展示出光电催化反应中的巨大潜力。此外，我们探索了钙锡氧化物在双氧水生产中的应用。通过两电子水氧化反应，该催化剂在生成双氧水方面表现出高选择性和稳定性，并能降低反应的过电位，适合长时间稳定运行。该材料适用于小规模、现场生产，为分布式双氧水生产提供了新的可能性。针对酸性条件下的水氧化反应，我们设计了铱掺杂氧化钨催化剂。这种催化剂在显著减少贵金属用量的同时，依然保持了优异的催化活性和耐久性。铱掺杂优化了氧化物中间体的结合能，显著提高了催化效率，且在酸性条件下展现了长期稳定性，为氢气生产中的电解水技术提供了低成本且高效的解决方案。未来，我们将继续探索和优化新型催化剂，进一步提升光电转换效率和材料的稳定性，以推动光催化技术在清洁能源和环保领域的广泛应用。

Selected paper:

Kim, Jung Kyu, Shi, Xinjian, et al. "Enhancing Mo: BiVO4 solar water splitting with patterned Au nanospheres by plasmon‐induced energy transfer." Advanced Energy Materials 8.5 (2018): 1701765.

Park, So Yeon, Hadi Abroshan, Xinjian Shi, et al. "CaSnO3: an electrocatalyst for two-electron water oxidation reaction to form H2O2." ACS Energy Letters 4.1 (2018): 352-357.

Shi, Xinjian, et al. "Efficient and stable acidic water oxidation enabled by low-concentration, high-valence iridium sites." ACS Energy Letters 7.7 (2022): 2228-2235.

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研究板块-光伏器件

 随着可再生能源需求的不断增加，光伏器件在太阳能利用中的重要性日益突出。我们团队专注于通过结构优化和材料改性，提升光伏器件的效率，推动技术的进步。我们开发了一种结合光电催化与染料敏化太阳能电池的无线串联器件，显著提升了能量转换效率。该器件采用钨酸铋敏化的钨酸盐薄膜作为前层，能够高效利用短波长光进行产氢反应，并将长波长光传输至后层的染料敏化太阳能电池，实现了更高效的光子利用和电能输出。为了进一步提高光电转换效率，我们引入了光子回收技术，通过在前层光电极背面设计复合型反射器，反射短波长光以增强前层的光吸收，同时确保长波长光透过到后层电池。这种设计有效提高了整体光伏器件的性能。在材料方面，我们通过钨酸盐与钒酸铋的异质结构设计，提升了器件的光吸收与电荷分离效率。此外，掺杂钼和钨等元素进一步增强了材料的导电性和光电性能，使得器件在稳定性和效率上都有显著提高。我们将继续探索新型材料和结构的光伏器件设计，致力于提高能量转换效率，为未来的太阳能应用提供更高效、稳定的解决方案。

Selected paper:

Shi, Xinjian, et al. "Unassisted photoelectrochemical water splitting beyond 5.7% solar-to-hydrogen conversion efficiency by a wireless monolithic photoanode/dye-sensitised solar cell tandem device." Nano Energy 13 (2015): 182-191.

Shi, Xinjian, et al. "Unassisted photoelectrochemical water splitting exceeding 7% solar-to-hydrogen conversion efficiency using photon recycling." Nature communications 7.1 (2016): 1-6.

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研究板块-第一性原理计算

本课题组的研究工作利用第一性原理计算，深入探讨了电化学催化过程中的关键机制，特别是在双氧水生成和水氧化反应中的应用。我们的研究不仅帮助优化了现有催化剂的设计，还为新型催化材料的开发提供了理论依据。通过密度泛函理论（DFT）计算，我们能够有效分析催化位点的活性、判断催化路径，并调控催化反应的关键步骤。

我们首先结合了第一性原理计算和实验验证，系统分析了预测并验证了电化学水氧化生成双氧水过程的关键机制。通过计算中间体（如OH*、OOH*）的吸附能量，我们首次证实了氧化物的表面反应机制对其催化活性和选择性决定性作用。这是整个2e-WOR领域成功的通过理论指导实验去研究发现氧化水产双氧水的路径和性能的调控并进行有效验证的首篇开山之作，能够对后续的工作和该领域的发展提供指导和参考。

根据这一范式，我们以ZnO为例验证了二元氧化物双氧水生产的晶面依赖性，并通过对表面中间体的吸附行为进行量化过程成功设计出首例三元钙钛矿相的高选择性、高稳定性的催化剂CaSnO₃。实验验证了该材料在双氧水生成中的优异性能，特别是在两电子水氧化反应中的表现。进一步地，我们揭示了掺杂位点在氧物种吸附和解离过程中的关键作用，这为我们设计和优化氧化物催化剂提供了理论支持。

发表论文列表：

Shi, X., Siahrostami, S., Li, GL. et al. Understanding activity trends in electrochemical water oxidation to form hydrogen peroxide. Nat Commun 8, 701 (2017)

Shi, Xinjian, et al. ZnO As an Active and Selective Catalyst for Electrochemical Water Oxidation to Hydrogen Peroxide. ACS Catalysis 2019 9 (5), 4593-4599

Shi, Xinjian, et al. CaSnO₃: An Electrocatalyst for Two-Electron Water Oxidation Reaction to Form H₂O₂ ACS Energy Letters. 2019. 4 (1), 352-357

研究板块-产氢（HER）

随着清洁能源需求的增加，光电催化技术在氢能生产中的应用引起了广泛关注。本团队专注于通过材料设计提升光电催化效率，推动光解水制氢技术的发展。我们团队的研究重点之一是钨酸盐在光解水中的应用。钨酸盐具有较好的光稳定性，但其光生电荷分离效率较低。为改善这一问题，我们将钨酸盐与钒酸铋结合，设计了一种螺旋纳米结构。这种结构不仅增加了光吸收，还有效提升了电荷分离能力，大大提高了光催化产氢的效率。为了进一步提升催化性能，我们通过在钨基材料中引入钴元素，增强了催化剂在析氢反应中的活性。我们的研究表明，钴掺杂后，催化剂的过电位大幅降低，反应速率明显加快，从而显著提高了氢气产量。在实验基础上，我们结合理论计算，发现钴掺杂可以调控材料表面氢吸附能力，进一步优化催化性能。这一结果为未来材料设计提供了理论支持。通过材料改性和结构优化，我们团队显著提升了光电催化制氢的效率。未来，我们将继续探索不同材料的组合，推动光电催化技术的进步，为清洁能源的广泛应用贡献力量。

Selected paper:

Shi, Xinjian, et al. "Efficient photoelectrochemical hydrogen production from bismuth vanadate-decorated tungsten trioxide helix nanostructures." Nature communications 5.1 (2014): 4775.

Shi, Xinjian, et al. "Rapid flame doping of Co to WS₂ for efficient hydrogen evolution." Energy & Environmental Science 11.8 (2018): 2270-2277.

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