當(dāng)前，隨著全球能源危機(jī)的到來及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注可持續(xù)能源的開發(fā)利用，包括可持續(xù)能源的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化。燃料電池與金屬-空氣電池等是屬于可持續(xù)能源利用技術(shù)的范疇，其中陰極上氧氣還原反應(yīng)（ORR）的催化劑決定了電池性能的好壞，從而決定了能量轉(zhuǎn)化效率以及電池成本的高低。鉑或鉑的合金是目前廣泛應(yīng)用的ORR電催化劑。但是，由于其價(jià)格昂貴并且儲(chǔ)藏有限，使得非鉑催化劑的研究成為業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)。
在之前的研究中，中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所張光晉研究員團(tuán)隊(duì)在利用前期廉價(jià)貴金屬制備高活性氧還原催化劑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出一種全新的高活性無(wú)金屬氧還原催化劑。
最近，他們與中科院化學(xué)研究所李玉良研究員合作，利用石墨炔為原料，開發(fā)了一種新型的高活性O(shè)RR電催化劑：氮摻雜石墨炔。石墨炔是一種新型的二維碳材料，其屬于非天然的碳的同素異形體，同時(shí)具有sp與sp2雜化的碳。經(jīng)研究證明，該石墨炔是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成的二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全碳分子，具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距，同時(shí)也具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能。此后，大量的理論計(jì)算證明石墨炔可能具有比石墨烯更好的電子學(xué)方面的性質(zhì)。但是卻沒有進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)方面的證明。該合作團(tuán)隊(duì)考慮到石墨炔網(wǎng)絡(luò)中苯環(huán)之間有雙炔鍵，因此其網(wǎng)絡(luò)框架中具有2.5 Å的孔徑，這顯然有助于其吸收空氣中的氧氣。同時(shí)考慮到氮原子摻雜可有效提升二維網(wǎng)絡(luò)中炭原子的電正性，有助于對(duì)氧還原反應(yīng)的促進(jìn)，他們利用熱處理法成功地合成了新型的氮摻雜石墨炔，研究表明，這類氮摻雜石墨炔具有非常優(yōu)異的氧還原催化活性，已經(jīng)與商業(yè)化鉑/碳材料相當(dāng)。而催化劑具有更好的穩(wěn)定性能以及更好的抗甲醇干擾性能，因此可望實(shí)現(xiàn)對(duì)貴金屬鉑系催化劑的替代，具有重要的意義。
上述相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金及中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最新一期Nanoscale上（2014, 6, 11336–11343）。
氮摻雜石墨炔TEM照片
氮摻雜石墨炔電催化ORR機(jī)理示意圖
電催化ORR線性掃描伏安曲線
