高效氧还原、析氧和析氢三功能非金属碳基催化剂

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

传统化石燃料的过度开采和使用是造成当今世界范围内能源短缺和环境污染的主要原因。探索和发展绿色、可再生能源技术，如光电水解、燃料电池、金属-空气电池已成为当今的研究热点。氧还原反应、析氧反应和析氢反应是这些能源技术的核心，催化剂对加快这些反应的进程，提高相关能源器件的效率起到关键的作用。目前常用的氧还原反应和析氢反应的催化剂是贵金属Pt基材料，而析氧反应的高效催化剂则是贵金属Ir或Ru的氧化物。贵金属催化剂昂贵的价格及其有限的储量大大限制了这些绿色能源技术的商业化应用。半个多世纪来，人们试图开发非贵金属催化剂（过渡金属Fe、Co、Ni的合金及化合物，如硫化物、碳化物、氮化物、磷化物等）来替代贵金属催化剂，但是与传统贵金属催化剂相比，非贵金属具有化学不稳定、催化效率低、易污染环境以及宏量生产成本依然较高等缺点。

另外，不同反应（氧还原、析氧和析氢反应）所需要的催化条件各不相同。比如，目前常用的氧还原和析氧反应的催化剂在碱性条件下表现出比在酸性条件下更好的活性，而析氢反应的催化剂往往在酸性条件下的性能更为优越，这就使得能源器件的开发和应用变得十分困难。因此，开发在同一pH的电解液中，对三个反应都具有高活性的三功能催化剂不仅可以降低单独开发多种催化剂供不同的能源转化与存储器件应用的成本，而且对能源转化与存储器件的集成和整合也是十分必要的。

戴黎明教授作为碳基非金属催化剂领域的开拓者，于2009年在Science 上发表关于可替代贵金属铂的氮掺杂碳纳米管氧还原催化剂，引领了低廉高效的碳基非金属催化剂在能源转化与存储中的应用研究。此后，戴黎明团队在碳基非金属催化剂的研究中取得了一系列成果。与金属催化剂相比，碳基非金属催化剂具有独特的优点，如低成本、高催化活性、化学结构易调控、易多功能化、耐酸碱、抗一氧化碳中毒等，无金属参与的本质避免了在电化学过程中产生金属离子污染环境。近日，凯斯西储大学的胡传刚博士和戴黎明教授合作又开发了一种具有多组分活性中心的碳基非金属催化剂，可用作高效的氧还原、析氧和析氢三功能的催化过程。这种新型的碳基非金属催化剂由N、S双掺杂的二维石墨片组成，并且在石墨片的表面构筑立体的孔道结构。N、S杂原子掺杂能改变碳骨架的电子结构和化学特征，产生丰富的电化学催化活性位点；片层表面的立体孔道结构不仅确保了高的电化学比表面积，而且有利于界面活性位点与电解液的接触以及反应物/生成物的传递和转移，从而确保了该催化剂的多功能和高活性。

该碳基非金属催化剂在碱性条件下对氧还原、析氧和析氢反应均表现出很高的活性和持久的稳定性，其催化氧还原反应活性接近于商业碳负载Pt催化剂，催化析氧反应的活性接近于商业RuO₂催化剂，催化析氢反应的活性也高于绝大多数的碳基催化剂和部分过渡金属基催化剂。该研究为使用廉价的非金属碳基催化剂取代贵金属催化剂在能源转化、能源存储、环境保护以及工业生产等领域的广泛应用开辟了一条新途径。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是戴黎明教授课题组的博士后胡传刚。

该论文作者为：Chuangang Hu, Liming Dai*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Carbonized Cotton Fabric for High-Performance Wearable Strain Sensors Multifunctional Carbon-Based Metal-Free Electrocatalysts for Simultaneous Oxygen Reduction, Oxygen Evolution, and Hydrogen Evolution

Adv. Mater., 2017, 29, 1604942-1604950, DOI: 10.1002/adma.201604942

戴黎明教授简介

戴黎明，1983年毕业于浙江大学化学工程系高分子化工专业，1991年获澳大利亚国立大学化学博士学位，先后在英国剑桥大学卡文迪许实验室、美国伊利诺斯大学材料科学与工程系、澳大利亚联邦科学与工业研究院（CSIRO）分子科学研究所等知名科研机构从事研究工作。历任美国阿克隆大学高分子工程系教授、美国戴顿大学化学与材料工程系教授兼任莱特兄弟研究院首席教授（Wright Brothers Institute Endowed Chair Professor），现任凯斯西储大学(Case Western Reserve University, CWRU)高分子科学与工程系讲席教授（Kent Hale Smith Professor）、凯斯先进碳科学和工程中心（Center of Advanced Science and Engineering for Carbon - Case4Carbon）主任、BUCT-CWRU国际联合实验室主任兼北京化工大学(Beijing University of Chemical Technology, BUCT)能源学院院长。

戴教授在国内外长期从事功能高分子以及碳纳米材料在能源和医药等方面的研究工作，在碳纳米管、石墨烯的合成组装及其在能源方面的应用等研究领域取得了世界瞩目的一系列创新性研究成果；发表论文400多篇，论文共被引用30000多次，H指数大于90，是全球高被引科学家；担任Nano Energy 副主编和多种杂志的编委。同时任美国碳学会(American Carbon Society)顾问委员会委员、英国皇家化学会(Royal Society of Chemistry)会士、美国医学与生物工程院(American Institute of Medical and Biological Engineering)院士。

http://www.x-mol.com/university/faculty/40464

科研思路解析

Q：该研究的最初目的是什么？

A：目前的很多研究只是聚焦于开发性能优越的氧还原、析氧或析氢反应催化剂，而绿色能源器件的实际应用对催化剂提出了更高的要求，使现有催化剂在器件应用中表现出很大的局限性。如金属-空气电池中要求催化剂同时具备对氧还原和析氧反应的高催化活性，常用的铂和钌基催化剂只能分别提供理想的氧还原和析氧催化活性；大部分的析氢反应催化剂只在酸性介质中表现出较好的性能，而析氧反应催化剂只能在碱性或中性介质中有效。因此，催化剂在催化电解水过程中析氢和析氧反应的有效匹配是一个很大的挑战。我们的研究目的在于开发一种在同一pH值下，同时具备高效氧还原、析氧和析氢催化活性的新型非金属碳基催化剂，可在能源转化与存储器件的集成和整合系统中用作高效的氧还原、析氧和析氢三功能催化剂替代其他价格昂贵的贵金属催化剂。

Q：研究过程中遇到的最大挑战是什么？

A：不同的反应对催化剂的活性中心和电子结构的要求各不相同，如氧还原反应要求催化剂本身对氧气有合适的吸附能力，氧气分子活化后，又能很好脱离催化剂表面；而氢气和氧气的析出反应要求催化剂对氢离子和氢氧根具有不同的吸附能力。并且，在不同pH值的电解液中，催化机理和效果又不尽相同，使开发高效的三功能催化剂非常不易。该研究最大的困难在于如何选择和控制杂原子的掺杂类型和掺杂量以及精确控制石墨片上的立体孔道结构，进而调控催化剂对于三个反应同时兼顾高活性。我们实验室前期在掺杂碳纳米材料和多功能碳基催化剂方面积累的经验，对该特殊结构催化剂的设计和成功制备起到至关重要的作用。

Q：该研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从该成果中获得帮助？

A: 本研究开发的新型多功能碳基非金属催化剂有望作为低廉高效的氧还原、析氧或析氢反应的单一催化剂应用到燃料电池，锂-空电池以及电解水装置中。该氧还原/析氧/析氢三功能催化剂还可以将水解装置、燃料电池和锂-空电池有机结合起来，实现绿色能源的转换与储存一体化。该研究成果可为相关清洁能源装置提供一种性能优越、价格低廉、易于大批量制备的碳基非金属催化剂，为加快发展绿色、可再生能源技术提供了简单有效的途径。

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