我校在非金属碳基催化剂的制备和氧还原反应方面取得突破性进展
发布人:郭建辉  发布时间:2019-11-13   浏览次数:44

近日,我校化学与化工学院尹振副教授课题组在Angewandte Chemie International Edition (德国应用化学)发表了题为“Construction of sp3/sp2 carbon interface in 3D N-doped nanocarbon for the oxygen reduction reaction”(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15089 – 15097)的论文(文章链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201907915),并被选为当期的HotPaper。

新型能源转换技术和清洁能源的开发对于我国能源供给环境保护至关重要氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池的电极反应,其中催化剂对于电极反应性能电池性能提升具有关键性作用。然而,氧还原催化剂研究主要集中于Pt基催化剂,成本较高,严重限制其大规模应用。近些年,催化剂作为一种低成本高效的催化剂受到广泛关注,然而目前碳基催化剂的制备和应用研究主要集中在sp2碳,比如石墨烯。Sp3碳由于其催化活性低高温稳定性差和导电性差等原因,加之sp3碳的形成通常需要极端苛刻的条件,比如高温高压,因此导致sp3碳的研究,尤其在催化方面的研究鲜有报道。

尹振教授课题组与北京大学马丁教授课题组、中科院大连化学物理研究所汪国雄研究员课题组等合作,以具有C=C双键和咪唑官能团的离子液体为前驱体,通过聚合过程中sp2碳向sp3碳的转化,实现碳前驱体中sp2碳与sp3碳相对含量的控制,然后结合高温热解过程,从而成功地得到sp2碳和sp3碳共存且氮掺杂的三维碳泡沫(CF,Carbon Foam),该三维碳泡沫由薄层的carbon nanosheet组成,表面以sp3碳为主,而且具有微孔和大孔复合的多级孔结构,比表面积可达到1385.0 m2 g-1。氧还原反应(ORR)结果表明:该三维碳泡沫不但显示出优异的催化活性,而且起峰电位、半波电位和Tafel斜率均优于商业化的Pt/C催化剂。同时,利用该三维碳泡沫作为阴极催化剂组装锌-空气电极,该电池的功率密度最高可达222.0 mW cm-2,并且在长达100小时的性能测试中显示出良好的稳定性。

此外,他们通过理论计算同样证实,sp3碳和sp2碳界面的氮原子对于碳材料的ORR性能具有决定性的影响作用。该工作不但对于碳材料的合成和催化应用开辟了新的思路和方法而且证实在分子水平上可以实现碳材料的设计和可控合成。

该项研究由天津工业大学化学与化工学院、天津市绿色化工过程工程重点实验室、分离膜与膜过程国家重点实验室和中科院大连化学物理研究所、澳大利亚格里夫斯大学以及北京大学化学与分子工程学院等单位合作完成,得到了国家自然科学基金北京分子科学国家研究中心开放课题等项目资助,天津工业大学化工学院高建博士、澳大利亚格里夫斯大学Wang Yun博士以及中科院大连化学物理研究所武海华博士为文章的共同一作天津工业大学尹振博士和北京大学马丁教授为共同通讯作者。(审稿:化学与化工学院 桂建舟 编辑:宣传部 谢光勇)