青島能源所在石墨炔作為催化劑應用研究中取得進展
氧還原反應作為燃料電池和金屬-空氣電池中的重要反應過程, 受到廣泛關注. 傳統的氧還原反應催化劑為鉑基催化劑, 鉑價格昂貴, 其成本超過燃料電池堆總成本的55%. 近年來, 科研人員製備了一系列的非貴金屬催化劑, 替代貴金屬鉑. 其中, 碳基催化劑因具有低成本, 高穩定性, 儲量豐富, 以及較強的抗一氧化碳和甲醇性能, 獲得關注. 近日, 中國科學院青島生物能源與過程研究所新型能源碳素材料團隊研發了一種氮摻雜的石墨炔材料, 用作氧還原反應, 表現出優異的催化性能, 相關研究工作發表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上.
石墨炔是一種新型碳材料, 由炔鍵和苯環連接而成, 具有特殊的sp雜化碳原子, 已被報道在光催化, 電催化以及生物方面均表現出優異特性. 新型能源碳素材料團隊在前期工作的基礎上, 不斷深入理解石墨炔材料的電荷結構, 利用石墨炔材料獨特的炔鍵引起碳骨架中部分碳原子帶正電的特性, 進一步通過氮修飾, 將石墨炔材料成功應用於氧還原電催化反應, 表現出優異的氧還原催化性能. 石墨炔中碳原子被氮取代後, 其電荷結構將被調控, 與氮相鄰的碳原子表現出更強的正電性, 可作為氧還原反應的活性中心. 由於石墨炔材料具有不同於常規碳材料(石墨烯, 碳納米管, 石墨, 無定形碳等)的特殊sp雜化碳原子, 氮原子可以通過取代sp雜化碳, 得到新的氮摻雜方式, 理論和實驗結果表明這種新的摻雜方式可以有效提高碳材料的催化性能. 所製得的氮取代的石墨炔材料的氧還原催化性能與商業碳載鉑催化劑相當. 該工作突破了當前研究集中於 sp 和 sp2 雜化的碳材料的限制, 顯示石墨炔在電催化材料和燃料電池中的巨大應用前景, 也為降低氧還原反應中鉑等貴金屬催化劑高昂的成本和儲量有限的問題, 提供了重要的解決途徑.
研究工作獲得了國家自然科學基金, 中科院前沿科學研究計劃, 中科院 '百人計劃' 以及自然科學基金山東省傑出青年基金等的支援.