據(jù)外媒報道，來自筑波大學(xué)、九州大學(xué)和鶴岡工業(yè)大學(xué)的聯(lián)合研究團隊于 2022 年 11 月 14 日宣布，他們已經(jīng)開發(fā)出一種表現(xiàn)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(rèn)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(yīng)用。

研究背景

氫燃料電池（聚合物電解質(zhì)燃料電池）從氫氣和氧氣中產(chǎn)生能量，是實現(xiàn)碳中和的一項極其重要的技術(shù)。然而，目前商業(yè)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(yè)界一直希望可以開發(fā)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(dāng)在燃料電池中使用酸性質(zhì)子透過膜時，實際使用中會存在在酸性環(huán)境中催化活性降低的問題。研究團隊認(rèn)為并闡明反應(yīng)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(huán)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(chǔ)。通過混合氧化石墨烯和氯化鈉 (NaCl) 水溶液并蒸發(fā)水，使 NaCl 結(jié)晶，形成被氧化石墨烯包圍的結(jié)構(gòu)。這可以防止石墨烯堆積并對疏水性產(chǎn)生不利影響。最后通過在氨氣環(huán)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(dāng)測量該石墨烯的氧還原反應(yīng)活性時，研究員確認(rèn)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(fā)電電壓（上圖右）。

當(dāng)使用各種顯微鏡分析結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)氧氣作為氣體被困在籠狀結(jié)構(gòu)中，反應(yīng)機理也發(fā)生了變化。通過形成籠狀結(jié)構(gòu)，活性部位附近因蓮花效應(yīng)（數(shù)十微米的凹凸結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出高疏水性的效果）而變得疏水化，促進氧化還原反應(yīng)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(zhì)子供應(yīng)不足。不過，當(dāng)研究員將涂有負(fù)責(zé)質(zhì)子傳導(dǎo)的SiO₂顆粒引入籠結(jié)構(gòu)中以形成質(zhì)子供應(yīng)路徑時，他們發(fā)現(xiàn)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(jié)語

報道中稱，現(xiàn)有燃料電池的制造條件針對鉑基催化劑進行了優(yōu)化。未來，還應(yīng)優(yōu)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(xiàn)類似的正極催化活性。此外，研究團隊認(rèn)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(yīng)機理，著手進一步改善催化特性。

粉體圈Coco編譯

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