據外媒報道，來自筑波大學、九州大學和鶴岡工業大學的聯合研究團隊于 2022 年 11 月 14 日宣布，他們已經開發出一種表現接近鉑基催化劑，具有高電壓和電流特性的氮摻雜碳催化劑。研究團隊認為，這種催化劑具有目前世界上最高的無金屬正極催化劑活性水平，有望在氫燃料電池中得到應用。

研究背景

氫燃料電池（聚合物電解質燃料電池）從氫氣和氧氣中產生能量，是實現碳中和的一項極其重要的技術。然而，目前商業化氫燃料電池的正極都會使用鉑基催化劑，但這種金屬的價格昂貴且儲量有限，因此業界一直希望可以開發出不需要鉑的催化劑。

由于其出色的耐久性和低成本，氮摻雜碳催化劑有望成為有前途的替代品。然而當在燃料電池中使用酸性質子透過膜時，實際使用中會存在在酸性環境中催化活性降低的問題。研究團隊認為并闡明反應過程中活性位點的水合作用可能是主要因素——因此為了提高酸性環境中的活性，重點是要防止活性位點的水合作用。

研究成果

在實驗中，研究員使用在氮摻雜碳催化劑中往往具有高活性的氮摻雜石墨烯作為基礎。通過混合氧化石墨烯和氯化鈉 (NaCl) 水溶液并蒸發水，使 NaCl 結晶，形成被氧化石墨烯包圍的結構。這可以防止石墨烯堆積并對疏水性產生不利影響。最后通過在氨氣環境中加熱石墨烯，并將NaCl 溶于水來去除，從而得到具有籠狀空隙的摻氮石墨烯（下圖左）。

當測量該石墨烯的氧還原反應活性時，研究員確認其在酸性溶液中的活性與在堿性溶液中的活性幾乎相同。另外它還顯示出接近鉑基催化劑的發電電壓（上圖右）。

當使用各種顯微鏡分析結構時，發現氧氣作為氣體被困在籠狀結構中，反應機理也發生了變化。通過形成籠狀結構，活性部位附近因蓮花效應（數十微米的凹凸結構而表現出高疏水性的效果）而變得疏水化，促進氧化還原反應的基本過程。

另一方面，與鉑系催化劑相比，施加過電壓時的電流值衰減大。這表明活性位點的質子供應不足。不過，當研究員將涂有負責質子傳導的SiO₂顆粒引入籠結構中以形成質子供應路徑時，他們發現施加過電壓時的電流特性也有所改善——其趨向已類似于鉑基催化劑。

結語

報道中稱，現有燃料電池的制造條件針對鉑基催化劑進行了優化。未來，還應優化氮摻雜石墨烯催化劑的相同條件，以便在實際燃料電池中也能實現類似的正極催化活性。此外，研究團隊認為目前的特性還有進一步改善的空間，未來將通過分析反應機理，著手進一步改善催化特性。

粉體圈Coco編譯

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