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 引言】

燃料電池由于其發(fā)能量轉(zhuǎn)化效率高、發(fā)電效率高、比能高、污染小、噪音小等多種優(yōu)勢，是目前解決全球污染和能源問題的最有前景的途徑。但燃料電池陰極氧還原反應(yīng)動力學(xué)緩慢，大大限制了燃料電池的性能。目前，對氧還原具有高催化活性的Pt基催化劑，存在價格昂貴，穩(wěn)定性差，易中毒等問題，從而大大限制了燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化。近年來，研究者們致力于開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性的非貴金屬氧還原催化劑來代替Pt基催化劑。碳納米管、石墨烯、石墨等碳納米材料由于具有大的比表面積和良好的電性能和力學(xué)性能，是金屬基催化劑的理想載體材料，甚至是很好的非金屬催化劑。將雜原子（例如氮，磷，硫等）引入到這些碳納米材料中可以進一步引起電子的重排，從而為許多具有實際意義的催化過程提供理想的電子結(jié)構(gòu)。雜原子摻雜（N，B，S，O，P等）納米碳材料因其制造簡單，催化活性突出，燃料選擇性高等優(yōu)點，吸引了大量研究者濃厚的興趣。研究表明，相較于商用碳載鉑催化劑，很多非金屬催化劑具有相當(dāng)?shù)碾姶呋钚院透鼉?yōu)越的長期穩(wěn)定性。

【成果簡介】

近日，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所溫珍海研究員(通訊作者)與美國凱斯西儲大學(xué)戴黎明教授(通訊作者)提出了一種用生物質(zhì)作為碳前驅(qū)體制備出一種超薄多孔氮摻雜石墨烯（~1.4nm），在堿性、中性和酸性三種電解液，均表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化活性。并分別在Zn-air電池、微生物燃料電池和直接甲醇燃料電池中均表現(xiàn)出能與商用Pt/C（20wt%）相媲美甚至更高的催化活性，在Nano energy 上發(fā)表了題為“N-doped Porous Carbon Nanosheets as pH-universal ORR Electrocatalyst in Various Fuel Cell Devices” 的研究論文。通常情況下，多孔碳納米片都是通過模板法制備出來的，但是模板制備法后續(xù)處理耗時又耗材，比如SiO₂模板法制備多孔碳納米材料需要強酸或強堿刻蝕SiO₂模板，這不但會增加制備成本，而且還污染環(huán)境。采用具有海綿組織結(jié)構(gòu)水生物—水葫萍作為碳前驅(qū)體，利用生物質(zhì)本身含有的金屬鹽在高溫下的刻蝕和氨氣的活化作用制備出一種超薄氮摻雜多孔碳納米片。這種氮摻雜多孔碳納米片在堿性、中性和酸性條件下均表現(xiàn)出非常突出的氧還原性能，其穩(wěn)定性和抗甲醇交叉效應(yīng)均優(yōu)于Pt/C。并在自制的Zn-air電池、微生物燃料電池以及直接甲醇燃料電池中表現(xiàn)出非常好的陰極性氧還原性能。在相同條件下，與商用Pt/C（20wt%）相比具有可以相匹敵甚至跟好的催化性能。

【圖文簡介】

 圖1 N-HPNCNSs的結(jié)構(gòu)表征

a) N-HPCNSs-800的SEM圖像；

b-c) N-HPCNSs-800的TEM圖像；

d) N-HPCNSs的氮吸附-解吸等溫線；

e) N-HPCNSs的N 1sXPS譜；

f) N-HPCNSs的拉曼譜圖。

 圖2 N-HPCNSs的電化學(xué)ORR性能

a) N-HPCNSs和Pt/C在堿性條件（1M KOH）下氧還原反應(yīng)的LSV曲線；

b) N-HPCNS-800和Pt/C在堿性條件（1M KOH）下氧還原反應(yīng)的過氧化氫產(chǎn)能率和電子轉(zhuǎn)移數(shù)曲線；

c) N-HPCNS-800和Pt/C在堿性條件（1M KOH）下的i-t曲線(插圖：穩(wěn)定性測試前后的LSV曲線)；

d) N-HPCNSs和Pt/C在中性條件（1M PBS）下氧還原反應(yīng)的LSV曲線；

e) N-HPCNS-800和Pt/C在中性條件（1M PBS）下氧還原反應(yīng)的過氧化氫產(chǎn)能率和電子轉(zhuǎn)移數(shù)曲線；

f) N-HPCNS-800和Pt/C在堿性條件（1M KOH）下的i-t曲線。

g) N-HPCNSs和Pt/C在酸性條件（5M H₂SO₄）下氧還原反應(yīng)的LSV曲線；

h) N-HPCNS-800和Pt/C在酸性條件（5M H₂SO₄）下氧還原反應(yīng)的過氧化氫產(chǎn)能率和電子轉(zhuǎn)移數(shù)曲線；

i) N-HPCNS-800和Pt/C在酸性條件（5M H₂SO₄）下的i-t曲線；

圖3 N-HPCNSs的甲醇選擇性性能

a) N-HPCNSs和Pt/C在加1M甲醇前和加1M甲醇后的1M KOH溶液中的氧還原反應(yīng)i-t曲線對比；

b) N-HPCNS-800在含有1M甲醇和不含甲醇的1M KOH溶液中氧還原反應(yīng)的LSV曲線對比；

c) Pt/C在含有1M甲醇和不含甲醇的1M KOH溶液中氧還原反應(yīng)的LSV曲線對比；

d) N-HPCNSs和Pt/C在加1M甲醇前和加1M甲醇后的5M H₂SO₄溶液中的氧還原反應(yīng)i-t曲線對比；

e) N-HPCNS-800和Pt/C在含有1M甲醇和不含甲醇的5M H₂SO₄溶液中氧還原反應(yīng)的LSV曲線對比；

f) Pt/C在含有1M甲醇和不含甲醇的5M H₂SO₄溶液中氧還原反應(yīng)的LSV曲線對比；

圖4 Zn-air電池的電池性能

a) N-HPCNS-800基Zn-air電池的實物示意圖；

b) N-HPCNS-800和Pt/C基Zn-air電池極化曲線和功率密度曲線；

c)N-HPCNS-800和Pt/C基Zn-air電池在不同電流密度下的恒電流放電曲線；

d) N-HPCNS-800和Pt/C基Zn-air電池的充放電極化曲線；

e) 兩組N-HPCNS-800基Zn-air電池串聯(lián)點亮各種顏色的LED燈的數(shù)碼照片。

圖5 微生物燃料電池的電池性能

a) 微生物燃料電池的示意圖；

b) N-HPCNSs和Pt/C基微生物燃料電池外接10Ω負載電阻的輸出電流密度循環(huán)曲線；

c)N-HPCNSs和Pt/C基微生物燃料電池共用一個陽極，不同電流密度下不同陰極的電位曲線；

d) N-HPCNS-800和Pt/C基微生物燃料電池的極化曲線和功率密度曲線。

圖6 直接甲醇燃料電池的電池性能

a)直接甲醇燃料電池的示意圖；

b) N-HPCNSs和Pt/C基直接甲醇燃料電池的極化曲線和功率密度曲線；

c)N-HPCNSs和Pt/C基直接甲醇燃料電池的開路電壓曲線；

d) N-HPCNS-800和Pt/C基直接甲醇燃料電池外接270Ω負載電阻的輸出電流密度循環(huán)曲線。

【小結(jié)】

研究人員利用生物質(zhì)—水葫萍的特殊組織結(jié)構(gòu)，用一種簡單的制備方法制備出一種超薄的氮摻雜多孔碳納米片。這種氮摻雜多孔碳納米片在堿性、中性和酸性條件下均具有很好的ORR催化活性，且在Zn-air電池、微生物燃料電池和直接甲醇燃料電池中均表現(xiàn)出很好的陰極性能。由于生物質(zhì)—水葫萍可再生、且容易得到，利用其作為制備非金屬氧還原催化的前驅(qū)體，不僅可以解決水生物大量繁殖引起的生態(tài)問題，還可以實現(xiàn)變費為寶，實現(xiàn)其的商業(yè)價值，這使得其均有很大的應(yīng)用潛力。