過程工程所在sp雜化氮摻雜石墨炔的氧還原應用研究中獲進展

2020-12-06 中國科學院

　　燃料電池具有零汙染、能量轉化效率高、適用範圍廣泛等眾多優點，使其成為最具前景的新型能源轉化裝置之一。燃料電池的陰極氧還原反應(ORR)是一個動力學遲緩的過程，需要在催化劑的作用下才能輸出有效的電流密度。傳統的 ORR 催化劑主要為價格昂貴的鉑類材料。在燃料電池發電系統中，燃料電池電堆成本佔總成本的50%以上，而鉑類貴金屬催化劑又佔電堆成本的50%以上。因此，開發價格低廉的非貴金屬ORR催化劑是促進燃料電池規模應用的必然選擇。近年來的研究證實，氮摻雜碳基催化劑具有良好的ORR催化活性和穩定性，有望取代鉑類催化劑在燃料電池中的應用。氮摻雜構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。一般認為吡啶氮的存在創造了ORR活性位點，而其它高性能的氮摻雜類型鮮有報導。

　　中國科學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隊及其合作者成功研發了一種sp雜化氮摻雜的石墨炔，在氧還原電催化領域取得新進展。通過周環反應成功在薄層石墨炔的炔鍵上引入了新型的sp雜化氮原子，實現了氮的定點、定量摻雜（圖1）。與其它形式的氮構型相比，sp雜化氮原子的引入使得周圍碳原子帶有更多的正電荷，更有利於O2的吸附和活化，使電子更易轉移到催化劑表面，能夠顯著提高ORR催化性能。鹼性條件下，半波電位（E1/2）為0.87 V，動力學電流密度（Jk）為38.0 mA/cm2，均優於商業Pt/C催化劑，並表現出更好的穩定性和甲醇耐受性（圖2）。在酸性條件下，材料的活性雖略低於Pt/C催化劑，但仍優於其它非金屬催化劑。這種氮原子可控摻雜的機理和策略為催化劑的設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程。

　　相關研究結果發表在《自然-化學》（Nature Chemistry，2018, 10, 924-931）上。該研究得到國家自然科學基金（項目編號：21325105、21590795、21401199）、中科院創新交叉團隊等的支持。

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圖1. sp雜化氮原子摻雜的石墨炔合成機理圖

 

圖2. sp雜化氮原子摻雜石墨炔及商業Pt/C催化劑在鹼性溶液中的ORR活性

 

　　燃料電池具有零汙染、能量轉化效率高、適用範圍廣泛等眾多優點，使其成為最具前景的新型能源轉化裝置之一。燃料電池的陰極氧還原反應(ORR)是一個動力學遲緩的過程，需要在催化劑的作用下才能輸出有效的電流密度。傳統的 ORR 催化劑主要為價格昂貴的鉑類材料。在燃料電池發電系統中，燃料電池電堆成本佔總成本的50%以上，而鉑類貴金屬催化劑又佔電堆成本的50%以上。因此，開發價格低廉的非貴金屬ORR催化劑是促進燃料電池規模應用的必然選擇。近年來的研究證實，氮摻雜碳基催化劑具有良好的ORR催化活性和穩定性，有望取代鉑類催化劑在燃料電池中的應用。氮摻雜構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。一般認為吡啶氮的存在創造了ORR活性位點，而其它高性能的氮摻雜類型鮮有報導。
　　中國科學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隊及其合作者成功研發了一種sp雜化氮摻雜的石墨炔，在氧還原電催化領域取得新進展。通過周環反應成功在薄層石墨炔的炔鍵上引入了新型的sp雜化氮原子，實現了氮的定點、定量摻雜（圖1）。與其它形式的氮構型相比，sp雜化氮原子的引入使得周圍碳原子帶有更多的正電荷，更有利於O2的吸附和活化，使電子更易轉移到催化劑表面，能夠顯著提高ORR催化性能。鹼性條件下，半波電位（E1/2）為0.87 V，動力學電流密度（Jk）為38.0 mA/cm2，均優於商業Pt/C催化劑，並表現出更好的穩定性和甲醇耐受性（圖2）。在酸性條件下，材料的活性雖略低於Pt/C催化劑，但仍優於其它非金屬催化劑。這種氮原子可控摻雜的機理和策略為催化劑的設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程。
　　相關研究結果發表在《自然-化學》（Nature Chemistry，2018, 10, 924-931）上。該研究得到國家自然科學基金（項目編號：21325105、21590795、21401199）、中科院創新交叉團隊等的支持。
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圖1. sp雜化氮原子摻雜的石墨炔合成機理圖
 
圖2. sp雜化氮原子摻雜石墨炔及商業Pt/C催化劑在鹼性溶液中的ORR活性 

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