燃料電池是一種重要的新能源裝置，其中新發(fā)展的金屬-空氣電池更是被寄予厚望。然而，金屬-空氣電池中陰極氧還原和正極氧析出反應(yīng)動力學(xué)過程緩慢，需要大量的貴金屬催化劑，大大增加了電池的成本，阻礙了金屬-空氣電池的大規(guī)模商業(yè)化進(jìn)程。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應(yīng)用研究組，在制備高效低成本的金屬-空氣電池陰極催化劑方面開展了大量工作。在前期的研究中，該研究組已經(jīng)先后研究了氮摻雜的類型對基于碳材料的電催化劑性能的影響(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 29744);制備了吡啶氮選擇性摻雜的碳基催化劑(Nat. Commun. 2018, 9, 3376.);以及過渡金屬-氮共摻雜的催化劑(ChemSusChem 2019, 12, 173;Carbon 2019, 147, 9)。證明了吡啶氮對提高碳基電催化劑性能的重要作用，并制備了一系列低成本、高性能的電催化劑材料。
近期，該研究組成員基于前期工作，利用新型碳材料石墨炔特殊的化學(xué)制備方法，無需后摻雜，直接制備了只含有吡啶氮的吡啶石墨炔材料。X射線光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XAS)表明，所得催化劑中只含有吡啶氮。在電化學(xué)測試中，吡啶石墨炔表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)碳載鉑催化劑的氧還原電催化性能。利用其作為鋅-空電池陰極，其最大功率密度高于鉑基鋅-空氣電池的最大功率密度，并具有比鉑基電池更加優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性，具有巨大的應(yīng)用潛力。密度泛函理論計(jì)算表明，與吡啶氮距離最近的sp雜化碳原子為較好的氧還原反應(yīng)位點(diǎn)。此工作將為設(shè)計(jì)合成具有特定反應(yīng)位點(diǎn)的新型非金屬催化劑材料提供新的思路。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental 期刊上(Appl. Catal. B: Environ. 2020, 261, 118234)。
以上工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院前沿項(xiàng)目和研究所內(nèi)重點(diǎn)部署項(xiàng)目等資助。
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