中科院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室研究員王丹團(tuán)隊研發(fā)了一種sp雜化氮摻雜的石墨炔，其在催化燃料電池陰極氧還原反應(yīng)（ORR）中顯示出良好的催化性能。研究成果近期發(fā)表于《自然—化學(xué)》。

燃料電池是一種把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有零污染、能量轉(zhuǎn)化效率高、適用范圍廣泛等優(yōu)點，是最具前景的新型能源轉(zhuǎn)化裝置之一。其陰極氧還原反應(yīng)(ORR)是一個動力學(xué)遲緩的過程，需要在催化劑的作用下才能輸出有效的電流密度。

王丹告訴《中國科學(xué)報》記者，傳統(tǒng)的ORR催化劑主要為價格昂貴的鉑類材料，開發(fā)價格低廉的非貴金屬ORR催化劑是促進(jìn)燃料電池規(guī)模應(yīng)用的必然選擇。

研究證實，氮摻雜碳基催化劑具有良好的ORR催化活性和穩(wěn)定性，有望取代鉑類催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。而氮摻雜構(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。“研究者一般認(rèn)為，吡啶氮的存在創(chuàng)造了ORR活性位點，而其它高性能的氮摻雜構(gòu)型鮮有報道。”王丹表示。

研究人員以薄層石墨炔材料為基礎(chǔ)，通過周環(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，實現(xiàn)了氮的定點、定量摻雜。據(jù)介紹，與其它形式的氮構(gòu)型相比，sp雜化氮原子的引入使得周圍碳原子帶有更多的正電荷，更有利于氧的吸附和活化，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。

實驗結(jié)果顯示，該材料在堿性條件下，半波電位為0.87伏，動力學(xué)電流密度每立方厘米38毫安，這一數(shù)據(jù)均優(yōu)于商業(yè)鉑—碳催化劑，并表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和甲醇耐受性。在酸性條件下，該材料的活性雖略低于商業(yè)鉑—碳催化劑，但仍優(yōu)于其它非金屬催化劑。

論文稱，這種氮原子可控?fù)诫s的機(jī)理和策略為催化劑的設(shè)計提供了一種新思路，有力推動了非金屬催化劑取代鉑基催化劑的進(jìn)程。