面臨環境和能源方面的種種問題, 新能源汽車產業獲得了蓬勃發展. 電動汽車有別於傳統汽車的重要組件是其電池系統. 其中, 燃料電池採用氫氣作為原料, 產物為水, 是一種汙染少, 能量轉化效率高的理想電池系統. 然而, 面臨大規模商業化, 燃料電池在成本方面還具有較大的阻力, 其主要表現在電池陰極需要大量的貴金屬鉑基催化劑. 鉑基材料價格昂貴, 儲量有限, 大大阻礙了燃料電池的可持續性, 大規模應用. 因此, 迫切需要製備一種性能優異, 價格低廉, 儲量豐富的新型陰極催化劑以替代鉑基催化劑.
針對以上問題, 在中國科學院院士李玉良的指導下, 中科院青島生物能源與過程研究所研究員黃長水帶領碳基材料與能源應用研究組設計了一種苯環中部分碳原子與氫相連的新型石墨炔基碳材料 (HsGDY) 催化劑. 該材料的設計和實現是在研究組前期成功合成與應用大量石墨炔基材料的基礎上完成的. 相關成果已發表於國際期刊《自然-通訊》 (Nature Communications, 2018, 9, 3376) , 並被選為Highlight工作.
得益於HsGDY的獨特結構, 在對其進行後處理過程中, 碳基材料與能源應用研究組準確控制了氮的摻入類型, 選擇性摻入對燃料電池陰極電催化最有效的吡啶氮原子, 從而實現了優異的催化性能. 同時, HsGDY具有六邊形的大孔, 其分子孔徑達1.63 nm, 有利於催化反應過程中反應物和產物的傳質. 通過電化學測試發現, 吡啶氮摻雜的HsGDY在堿性條件下表現出了優於商業碳載鉑催化劑的超高活性. 其在0.85 V電位下的電流密度為商業碳載鉑催化劑的1.6倍, 同時具有比碳載鉑更好的穩定性和抗甲醇中毒能力. 吡啶氮摻雜的HsGDY作為新型燃料電池陰極催化劑替代傳統鉑基催化劑, 展現了巨大的潛力. 這種通過碳材料結構設計, 實現異原子的準確摻雜的方法, 也為製備其他摻雜型納米材料提供了新的思路.
該研究得到國家自然科學基金, 中科院前沿重點項目, 山東省自然科學基金的支援.
圖: 吡啶氮摻雜的石墨炔材料的電化學性能與反應過程
