二维层状介孔非贵金属电催化剂的高效催化氧还原反应

　　燃料电池因具有高效和环境友好等优点，被认为是21世纪的重要动力来源。燃料电池阴极氧还原反应是总体性能提升的限制因素，催化氧还原反应中使用最多的是贵金属铂基催化剂，但面临着高成本和低稳定性等问题。因此，研制新型的具有高催化性能的非贵金属催化剂显得尤为重要。近日，内蒙古大学的张军教授课题组采用一种普适的纳米模板构筑方法，制备出一种具有二维层状结构的碳、氮共掺杂介孔非贵金属复合氮掺杂石墨烯纳米催化剂，该催化剂在电催化氧还原反应中展现了优异的催化活性和稳定性。

　　随着经济和社会的快速发展，全球能源消耗急剧增加，人类面临严峻的能源危机，开发新型的可再生新能源代替传统化石燃料变得刻不容缓。燃料电池作为一种新型的能源技术，具有环境友好、转化效率高等优点，是解决当前能源紧缺问题的有效途径之一。目前，燃料电池中使用的电极催化材料主要包括贵金属及合金等，这些材料存在价格昂贵、电催化稳定性低等制约因素。而近年来兴起的杂原子共掺杂过渡金属材料因价格低廉且活性优异被认为是一类优异的电催化材料，但这类材料在合成过程中往往采用高温煅烧的方法，导致颗粒较大、比表面积小，严重影响气体传质效率并减少了活性位点的数目及活性位点的可接近性。众所周知，石墨烯因优异的电荷传导能力和化学稳定性在电催化领域具有较好的应用前景，与其他催化材料复合并赋予介孔结构可极大地提高催化材料的催化性能。

　　内蒙古大学张军教授课题组开发的二维层状碳、氮共掺杂介孔非贵金属（Fe, Co, Ni）复合氮掺杂石墨烯纳米电催化剂很好地克服了上述缺陷。相比于传统催化材料，他们设计并合成的催化剂具有明显的优势。例如，石墨烯的引入不仅可以提升催化剂的电子传输性能，而且形成的二维层状结构可大大增强活性位点的可接近性；非金属（C、N）掺杂可以很好地调整催化材料的表面电子结构，增加活性中心的数量；介孔的引入既可以提高活性组分的分散度，又可提高反应物和产物的传质效率，这些优异的特性使该结构材料的电催化氧还原性能得到极大的提高。根据目前文献报道的结果，他们获得的碳、氮共掺杂介孔铁复合氮掺杂石墨烯杂化物（Meso-Fe-N-C/NG）在同类材料中展现出最高的氧还原活性，半波电位和极限电流密度分别可高达0.89 V和5.41 mA•cm-2。

　　该催化剂因具有合理的设计，从而呈现出独特的结构，不仅展现出优异的催化性能，而且表现出极高的稳定性和抗甲醇中毒能力。这些优异的特性使石墨烯基杂化介孔纳米催化材料在电催化领域，尤其是燃料电池方面具有更为广阔和重要的应用价值。

　　这一成果近期发表在Journal of Materials Chemistry A 上，文章的第一作者是内蒙古大学的博士研究生霍丽丽。