科学家制备出新型氮掺杂石墨炔促进燃料电池商业化

   中科院过程工程研究所王丹团队联合中科院化学所李玉良团队，成功在超薄石墨炔材料上引入一种新型的sp掺杂N原子，这种新型的石墨炔材料表现出非常优异的性能。该成果日前发表在《自然—化学》上。

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氧还原反应（ORR）是能源储存和转化的基础，在燃料电池中有着重要应用。目前，氧还原反应以铂基催化剂的催化活性最为优异，但由于贵金属铂储量较低、价格昂贵且容易导致中毒、稳定性较差，不利于大规模应用。非金属电催化剂是未来发展的必然趋势。

碳材料是一种理想的催化剂基底，但需要引入杂原子改变表面电子状态，进而提升活性。以往的研究发现，掺杂碳材料催化剂的活性与氮原子的掺杂构型息息相关。

研究人员以块体石墨炔为原料获得薄层石墨炔，再将其与三聚氰胺以一定比例混合均匀， 在氩气惰性环境下高温处理，最终通过周环反应得到sp-N掺杂的薄层石墨炔。

相比于其他氮原子掺杂构型，sp-N的掺杂使得相邻的碳原子带有更多的正电荷，更有利于氧气的吸附。实验结果显示，随着sp-N含量的增加，催化活性提高。优化后的样品，在碱性条件下，ORR活性可媲美商业Pt/C催化剂，并表现出更快的反应动力学。在酸性条件下，这一材料虽然略低于Pt/C催化剂的活性，但相比于其他非金属催化剂，其催化活性要高出很多。

sp-N掺杂的石墨炔是目前已知综合性能最好的非金属催化剂，对促进燃料电池的商业化进程意义重大。