二維層狀介孔非貴金屬電催化劑的高效催化氧還原反應

　　燃料電池因具有高效和環境友好等優點，被認為是21世紀的重要動力來源。燃料電池陰極氧還原反應是總體性能提升的限制因素，催化氧還原反應中使用最多的是貴金屬鉑基催化劑，但面臨著高成本和低穩定性等問題。因此，研制新型的具有高催化性能的非貴金屬催化劑顯得尤為重要。近日，內蒙古大學的張軍教授課題組采用一種普適的納米模板構筑方法，制備出一種具有二維層狀結構的碳、氮共摻雜介孔非貴金屬復合氮摻雜石墨烯納米催化劑，該催化劑在電催化氧還原反應中展現了優異的催化活性和穩定性。

　　隨著經濟和社會的快速發展，全球能源消耗急劇增加，人類面臨嚴峻的能源危機，開發新型的可再生新能源代替傳統化石燃料變得刻不容緩。燃料電池作為一種新型的能源技術，具有環境友好、轉化效率高等優點，是解決當前能源緊缺問題的有效途徑之一。目前，燃料電池中使用的電極催化材料主要包括貴金屬及合金等，這些材料存在價格昂貴、電催化穩定性低等制約因素。而近年來興起的雜原子共摻雜過渡金屬材料因價格低廉且活性優異被認為是一類優異的電催化材料，但這類材料在合成過程中往往采用高溫煅燒的方法，導致顆粒較大、比表面積小，嚴重影響氣體傳質效率并減少了活性位點的數目及活性位點的可接近性。眾所周知，石墨烯因優異的電荷傳導能力和化學穩定性在電催化領域具有較好的應用前景，與其他催化材料復合并賦予介孔結構可極大地提高催化材料的催化性能。

　　內蒙古大學張軍教授課題組開發的二維層狀碳、氮共摻雜介孔非貴金屬（Fe, Co, Ni）復合氮摻雜石墨烯納米電催化劑很好地克服了上述缺陷。相比于傳統催化材料，他們設計并合成的催化劑具有明顯的優勢。例如，石墨烯的引入不僅可以提升催化劑的電子傳輸性能，而且形成的二維層狀結構可大大增強活性位點的可接近性；非金屬（C、N）摻雜可以很好地調整催化材料的表面電子結構，增加活性中心的數量；介孔的引入既可以提高活性組分的分散度，又可提高反應物和產物的傳質效率，這些優異的特性使該結構材料的電催化氧還原性能得到極大的提高。根據目前文獻報道的結果，他們獲得的碳、氮共摻雜介孔鐵復合氮摻雜石墨烯雜化物（Meso-Fe-N-C/NG）在同類材料中展現出最高的氧還原活性，半波電位和極限電流密度分別可高達0.89 V和5.41 mA?cm-2。

　　該催化劑因具有合理的設計，從而呈現出獨特的結構，不僅展現出優異的催化性能，而且表現出極高的穩定性和抗甲醇中毒能力。這些優異的特性使石墨烯基雜化介孔納米催化材料在電催化領域，尤其是燃料電池方面具有更為廣闊和重要的應用價值。

　　這一成果近期發表在Journal of Materials Chemistry A 上，文章的第一作者是內蒙古大學的博士研究生霍麗麗。