據中科院網站消息，化石能源的大量使用帶來了嚴重的環境汙染和能源危機。可以預見，在不久的將來，人類社會的能源利用方式將從有限的碳基化石能源轉換到無盡的可再生能源。燃料電池和金屬空氣電池在這類能源轉換中扮演著重要的角色。當前，燃料電池中一直使用的是昂貴的Pt催化劑；據報導，Pt催化劑佔到整個燃料電池成本的20%左右，這是導致這類高效能源器件尚未得到大規模使用的重要原因之一。因此，發展具有高活性和穩定性的低成本電催化材料依然具有極大挑戰。
近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員王家成和中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員楊明輝（共同通訊作者）聯合英國愛丁堡大學教授J. Paul Attfield（共同通訊作者）和印度理工學院教授Tiju Thomas發現鋯基材料表現出可取代貴金屬Pt催化劑的巨大潛力。Pt金屬儲量非常稀少，價格非常昂貴，高達約300元每克；相比較，Zr金屬儲量豐富，價格僅為Pt的1/700。該研究成果近日發表在國際期刊Nature Materials上（doi: 10.1038/s41563-019-0535-9），論文題目為Zirconium Nitride Catalysts SurpassPlatinum for Oxygen Reduction。王家成作為該論文的共同第一作者，參與了實驗設計、數據分析、機理挖掘等重要工作。上海矽酸鹽所副研究員馬汝廣參與了該工作。
在該研究中，科研人員採用一種溫和的urea-glass方法，在更低的溫度下製備出了高活性ZrN納米顆粒，研究表明其具有比肩商用Pt催化劑的活性。此外，ZrN還表現出了比Pt更優異的長期使用穩定性。在實際的鋅空氣電池測試中，商用Pt催化劑使用一段時間後性能衰減明顯；而ZrN催化劑性能衰減要緩慢很多。未來，該研究團隊將進一步和產業界合作，努力將該實驗室研究成果轉換成實際的創新產品，這將有助於清潔能源的大規模使用，並有望為解決能源危機和環境汙染問題作出貢獻。