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?！蓖醯け硎?。

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，這種氮原子可控摻雜的機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程。