據(jù)*報(bào)道:燃料電池具有*、能量轉(zhuǎn)化效率高、適用范圍廣泛等眾多優(yōu)點(diǎn)，使其成為ju前景的新型能源轉(zhuǎn)化裝置之一。燃料電池的陰極氧還原反應(yīng)(orr)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)遲緩的過(guò)程，需要在催化劑的作用下才能輸出有效的電流密度。傳統(tǒng)的orr催化劑主要為價(jià)格昂貴的鉑類(lèi)材料。在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，燃料電池電堆成本占總成本的50%以上，而鉑類(lèi)貴金屬催化劑又占電堆成本的50%以上。因此，開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的非貴金屬orr催化劑是促進(jìn)燃料電池規(guī)模應(yīng)用的必然選擇。近年來(lái)的研究證實(shí)，氮摻雜碳基催化劑具有良好的orr催化活性和穩(wěn)定性，有望取代鉑類(lèi)催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。氮摻雜構(gòu)型有很多不同的形式，包括吡啶氮、亞胺氮、吡咯氮、氨基氮、腈基氮、石墨氮和氧化氮等。一般認(rèn)為吡啶氮的存在創(chuàng)造了orr活性位點(diǎn)，而其它高性能的氮摻雜類(lèi)型鮮有報(bào)道。
近日，*過(guò)程工程研究所生化工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王丹團(tuán)隊(duì)及其合作者成功研發(fā)了一種sp雜化氮摻雜的石墨炔，在氧還原電催化領(lǐng)域取得新進(jìn)展。通過(guò)周環(huán)反應(yīng)成功在薄層石墨炔的炔鍵上引入了新型的sp雜化氮原子，實(shí)現(xiàn)了氮的定點(diǎn)、定量摻雜（圖1）。與其它形式的氮構(gòu)型相比，sp雜化氮原子的引入使得周?chē)荚訋в懈嗟恼姾?，更有利于o2的吸附和活化，使電子更易轉(zhuǎn)移到催化劑表面，能夠顯著提高orr催化性能。堿性條件下，半波電位（e1/2）為0.87 v，動(dòng)力學(xué)電流密度（jk）為38.0 ma/cm2，均優(yōu)于商業(yè)pt/c催化劑，并表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和甲醇耐受性（圖2）。在酸性條件下，材料的活性雖略低于pt/c催化劑，但仍?xún)?yōu)于其它非金屬催化劑。這種氮原子可控?fù)诫s的機(jī)理和策略為催化劑的設(shè)計(jì)提供了一種新思路，有力推動(dòng)了非金屬催化劑取代鉑基催化劑的進(jìn)程。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-化學(xué)》（nature chemistry，2018, 10, 924-931）期刊上。該項(xiàng)研究得到自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：21325105、21590795、21401199）、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)等的支持。
圖1 sp雜化氮原子摻雜的石墨炔合成機(jī)理圖
圖2. sp雜化氮原子摻雜石墨炔及商業(yè)pt/c催化劑在堿性溶液中的orr活性