过程工程所在无金属燃料电池阴极氧气还原反应电催化剂的制备方面取得新进展

　　当前，随着全球能源危机的到来及环境污染问题的日益严重，人们越来越多地关注可持续能源的开发利用，包括可持续能源的储存与转化。燃料电池与金属-空气电池等是属于可持续能源利用技术的范畴，其中阴极上氧气还原反应（ORR）的催化剂决定了电池性能的好坏，从而决定了能量转化效率以及电池成本的高低。铂或铂的合金是目前广泛应用的ORR电催化剂。但是，由于其价格昂贵并且储藏有限，使得非铂催化剂的研究成为业内的热点。 

　　在之前的研究中，中科院过程工程研究所张光晋研究员团队在利用前期廉价贵金属制备高活性氧还原催化剂的基础上，进一步发展出一种全新的高活性无金属氧还原催化剂。 

　　最近，他们与中科院化学所李玉良研究员合作，利用石墨炔为原料，开发了一种新型的高活性ORR电催化剂：氮掺杂石墨炔。石墨炔是一种新型的二维碳材料，其属于非天然的碳的同素异形体，同时具有sp与sp²杂化的碳。经研究证明，该石墨炔是由1，3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维平面网络结构的全碳分子，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距，同时也具有优良的化学稳定性和半导体性能。此后，大量的理论计算证明石墨炔可能具有比石墨烯更好的电子学方面的性质。但是却没有进一步实验方面的证明。该合作团队考虑到石墨炔网络中苯环之间有双炔键，因此其网络框架中具有2.5 ？的孔径，这显然有助于其吸收空气中的氧气。同时考虑到氮原子掺杂可有效提升二维网络中炭原子的电正性，有助于对氧还原反应的促进，他们利用热处理法成功地合成了新型的氮掺杂石墨炔，研究表明，这类氮掺杂石墨炔具有非常优异的氧还原催化活性，已经与商业化铂/碳材料相当。而催化剂具有更好的稳定性能以及更好的抗甲醇干扰性能，因此可望实现对贵金属铂系催化剂的替代，具有重要的意义。 

　　上述相关研究得到了国家自然科学基金及中国博士后科学基金的资助，相关研究结果发表在最新一期Nanoscale上（2014, 6, 11336–11343）。 

　　(a) 氮掺杂石墨炔TEM照片；(b) 氮掺杂石墨炔电催化ORR机理示意图；(c) 电催化ORR线性扫描伏安曲线。 

 （绿色分离工程与环境生物技术创新团队  刘荣基）