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sp雜化氮摻雜石墨炔ORR催化劑研究獲進(jìn)展

更新時(shí)間:2018-09-03點(diǎn)擊次數(shù):2238

 據(jù)中國(guó)科學(xué)院報(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,而鉑類貴金屬催化劑又占電堆成本的50%以上。因此,開發(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型鮮有報(bào)道。

 近日,中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所生化工程國(guó)家重點(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圍碳原子帶有更多的正電荷,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,但仍優(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)研究得到國(guó)家自然科學(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。

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圖1 sp雜化氮原子摻雜的石墨炔合成機(jī)理圖

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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

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