新型燃料电池阴极催化剂问世

(记者甘晓)日前，记者从中国科学院过程工程研究所获悉，该所生物化学工程国家重点实验室研究员王丹研制出一种sp杂化氮掺杂石墨烯，在催化燃料电池阴极氧还原反应(ORR)方面显示出良好的催化性能。研究结果最近发表在《自然化学》杂志上。

燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。它具有零污染、能量转换效率高、适用范围广的优点。它是最有前途的新能源转换装置之一。阴极氧还原反应是一个缓慢的过程，需要催化剂输出有效电流密度。

王丹告诉《中国科学》记者，传统的ORR催化剂主要是价格昂贵的铂类材料，开发廉价的非贵金属ORR催化剂是推动燃料电池大规模应用的必然选择。

研究证明，掺氮碳基催化剂具有良好的ORR催化活性和稳定性，有望在燃料电池中取代铂催化剂。然而，氮掺杂配置有许多不同的形式，包括吡啶氮、亚胺氮、吡咯氮、氨基氮、腈氮、石墨氮、氮氧化物等。“研究人员通常认为吡啶氮的存在会产生ORR活性位点，而其他高性能氮掺杂配置很少报道。”王丹说。

基于薄层石墨烯材料，研究人员通过周环反应成功地在薄层石墨烯的乙炔键中引入了一个新的sp杂化氮原子，实现了氮的定点定量掺杂。据介绍，与其他形式的氮构型相比，sp杂化氮原子的引入使周围碳原子带有更多正电荷，这更有利于氧的吸附和活化，使电子更容易转移到催化剂表面，并能显著提高ORR的催化性能。

实验结果表明，该材料在碱性条件下的半波电位为0.87伏，动电流密度为38毫安/立方厘米，优于市售铂碳催化剂，并具有较好的稳定性和甲醇耐受性。在酸性条件下，该材料的活性略低于市售铂碳催化剂，但仍优于其他非金属催化剂。

本文认为氮原子可控掺杂的机理和策略为催化剂的设计提供了新的思路，有力地推动了非金属催化剂替代铂基催化剂的进程。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41557-018-0100-1

中国科学新闻(2018-08-28，第一版集锦)