科學家制備出新型氮摻雜石墨炔促進燃料電池商業化

   中科院過程工程研究所王丹團隊聯合中科院化學所李玉良團隊，成功在超薄石墨炔材料上引入一種新型的sp摻雜N原子，這種新型的石墨炔材料表現出非常優異的性能。該成果日前發表在《自然—化學》上。

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氧還原反應（ORR）是能源儲存和轉化的基礎，在燃料電池中有著重要應用。目前，氧還原反應以鉑基催化劑的催化活性最為優異，但由于貴金屬鉑儲量較低、價格昂貴且容易導致中毒、穩定性較差，不利于大規模應用。非金屬電催化劑是未來發展的必然趨勢。

碳材料是一種理想的催化劑基底，但需要引入雜原子改變表面電子狀態，進而提升活性。以往的研究發現，摻雜碳材料催化劑的活性與氮原子的摻雜構型息息相關。

研究人員以塊體石墨炔為原料獲得薄層石墨炔，再將其與三聚氰胺以一定比例混合均勻， 在氬氣惰性環境下高溫處理，最終通過周環反應得到sp-N摻雜的薄層石墨炔。

相比于其他氮原子摻雜構型，sp-N的摻雜使得相鄰的碳原子帶有更多的正電荷，更有利于氧氣的吸附。實驗結果顯示，隨著sp-N含量的增加，催化活性提高。優化后的樣品，在堿性條件下，ORR活性可媲美商業Pt/C催化劑，并表現出更快的反應動力學。在酸性條件下，這一材料雖然略低于Pt/C催化劑的活性，但相比于其他非金屬催化劑，其催化活性要高出很多。

sp-N摻雜的石墨炔是目前已知綜合性能最好的非金屬催化劑，對促進燃料電池的商業化進程意義重大。