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青島能源所開發(fā)出石墨炔基新型高效非金屬電催化劑應(yīng)用于燃料電池

來源:青島生物能源與過程研究所

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所屬頻道:新聞中心

關(guān)鍵詞:燃料電池 催化劑 石墨炔

    燃料電池是一種重要的新能源裝置,其中最新發(fā)展的金屬-空氣電池更是被寄予厚望。然而,金屬-空氣電池中陰極氧還原和正極氧析出反應(yīng)動力學(xué)過程緩慢,需要大量的貴金屬催化劑,大大增加了電池的成本,阻礙了金屬-空氣電池的大規(guī)模商業(yè)化進程。


    中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應(yīng)用研究組,在制備高效低成本的金屬-空氣電池陰極催化劑方面開展了大量工作。在前期的研究中,該研究組已經(jīng)先后研究了氮摻雜的類型對基于碳材料的電催化劑性能的影響(ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 29744);制備了吡啶氮選擇性摻雜的碳基催化劑(Nat. Commun.2018, 9, 3376.);以及過渡金屬-氮共摻雜的催化劑(ChemSusChem2019, 12, 173;Carbon2019, 147, 9)。證明了吡啶氮對提高碳基電催化劑性能的重要作用,并制備了一系列低成本、高性能的電催化劑材料。


    近期,該研究組成員基于前期工作,利用新型碳材料石墨炔特殊的化學(xué)制備方法,無需后摻雜,直接制備了只含有吡啶氮的吡啶石墨炔材料。X射線光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XAS)表明,所得催化劑中只含有吡啶氮。在電化學(xué)測試中,吡啶石墨炔表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)碳載鉑催化劑的氧還原電催化性能。利用其作為鋅-空電池陰極,其最大功率密度高于鉑基鋅-空氣電池的最大功率密度,并具有比鉑基電池更加優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性,具有巨大的應(yīng)用潛力。密度泛函理論計算表明,與吡啶氮距離最近的sp雜化碳原子為最佳的氧還原反應(yīng)位點。此工作將為設(shè)計合成具有特定反應(yīng)位點的新型非金屬催化劑材料提供新的思路。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental期刊上(Appl. Catal. B: Environ.2020, 261, 118234)。


    以上工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院前沿項目和研究所內(nèi)重點部署項目等資助。


    相關(guān)發(fā)表文章:Lv, Q.; Wang, N.; Si, W.; Hou, Z.; Li, X.; Wang, X.; Zhao, F.; Yang, Z.; Zhang, Y.; Huang, C.,Pyridinic nitrogen exclusively doped carbon materials as efficient oxygen reduction electrocatalysts for Zn-air batteries. Appl. Catal. B: Environ.2020, 261, 118234.



    圖:吡啶石墨炔的合成方法、X射線光電子能譜、X射線吸收光譜以及電催化性能和鋅-空電池性能表征。


    (審核編輯: Doris)

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