生物质衍生碳基电催化剂构筑及应用研究获进展

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所环境与能源纳米材料中心在生物质衍生碳基电化学催化剂方面取得一系列进展。该系列研究为以廉价、资源丰富的生物质资源作为原材料制备高性能碳基电化学催化剂开拓了新的思路，具有重要的实际应用意义。相关研究成果相继发表在Phys. Chem. Chem. Phys., 18 (2016), 4095-4101； Chem. Commun., 52 (2016) 5946-5949； Inorg. Chem. Front., 3 (2016) 910-918； Nano. Res., 9 (2016) 2123-2137上。

　　全球每年产生约数十亿吨生物质资源(如：农作物秸秆、虾蟹壳等)，而这些资源除很少部分被有效利用外，其余全部被焚烧或经自然降解而被消耗。在造成巨大资源浪费的同时，所产生的大量二氧化碳及甲烷等温室气体对环境也造成恶劣影响。生物质除富含可供碳结构生长的碳源外，还含有微量杂元素如氮、硫等，是替代石化原料制备廉价、高效碳基电催化剂的理想原料。

　　课题组科研人员以虾壳作为原材料，通过简单水热处理首先制备了氮掺杂碳纳米点，其具有如下特点：一是尺寸小于10nm，有利于进一步组装；二是表面含有丰富的氧、氮官能团(-COOH, -OH, -NH2)，有利于进一步功能化修饰；三是作为碳、氮前驱体源，可进一步发展高活性氮掺杂石墨碳催化剂。利用如上特性，研究人员以氮掺杂碳纳米点作为前驱体碳、氮源，通过添加模板或掺杂金属(Fe、Co)后高温退火的方法制备出多孔碳材料以及金属/金属氧化物负载的金属原子-氮共掺杂多孔碳材料(如图所示)。通过简单的组装和高温退火处理后，所制备碳材料具有高的石墨化程度、多孔结构和高比表面；而且，Fe、Co等金属元素的引入创造了更多的催化活性位点，使催化剂展现出优异的氧还原(ORR)、氧发生(OER)和氢发生(HER)单功能或多功能催化活性。所构筑的催化剂材料在一次性金属锌-空电池、可充放电金属锌-空电池及全分解水产氢和产氧应用中展现出巨大的应用潜势，并成功点亮由金属锌-空电池驱动的LED灯构建的器件(如图所示)。

　　该研究工作得到国家自然科学基金和中科院百人计划等项目的资助。

以虾壳为原料制备碳基电催化剂的流程，相应电镜表征和ORR/OER/HER催化活性，Zn-空电池性能及应用实例。