據(jù)中國科學(xué)院報道:燃料電池具有*、能量轉(zhuǎn)化效率高、適用范圍廣泛等眾多優(yōu)點，使其成為ju前景的新型能源轉(zhuǎn)化裝置之一。燃料電池的陰極氧還原反應(yīng)(ORR)是一個動力學(xué)遲緩的過程，需要在催化劑的作用下才能輸出有效的電流密度。傳統(tǒng)的 ORR 催化劑主要為價格昂貴的鉑類材料。在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，燃料電池電堆成本占總成本的50%以上，而鉑類貴金屬催化劑又占電堆成本的50%以上。因此，開發(fā)價格低廉的非貴金屬ORR催化劑是促進燃料電池規(guī)模應(yīng)用的必然選擇。近年來的研究證實，氮摻雜碳基催化劑具有良好的ORR催化活性和穩(wěn)定性，有望取代鉑類催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。氮摻雜構(gòu)型有很多不同的形式，包括吡啶氮、亞胺氮、吡咯氮、氨基氮、腈基氮、石墨氮和氧化氮等。一般認(rèn)為吡啶氮的存在創(chuàng)造了ORR活性位點，而其它高性能的氮摻雜類型鮮有報道。

 近日，中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室研究員王丹團隊及其合作者成功研發(fā)了一種sp雜化氮摻雜的石墨炔，在氧還原電催化領(lǐng)域取得新進展。通過周環(huán)反應(yīng)成功在薄層石墨炔的炔鍵上引入了新型的sp雜化氮原子，實現(xiàn)了氮的定點、定量摻雜（圖1）。與其它形式的氮構(gòu)型相比，sp雜化氮原子的引入使得周圍碳原子帶有更多的正電荷，更有利于O2的吸附和活化，使電子更易轉(zhuǎn)移到催化劑表面，能夠顯著提高ORR催化性能。堿性條件下，半波電位（E1/2）為0.87 V，動力學(xué)電流密度（Jk）為38.0 mA/cm2，均優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑，并表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和甲醇耐受性（圖2）。在酸性條件下，材料的活性雖略低于Pt/C催化劑，但仍優(yōu)于其它非金屬催化劑。這種氮原子可控摻雜的機理和策略為催化劑的設(shè)計提供了一種新思路，有力推動了非金屬催化劑取代鉑基催化劑的進程。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry，2018, 10, 924-931）期刊上。該項研究得到國家自然科學(xué)基金（項目編號：21325105、21590795、21401199）、中科院創(chuàng)新交叉團隊等的支持。

圖1 sp雜化氮原子摻雜的石墨炔合成機理圖

圖2. sp雜化氮原子摻雜石墨炔及商業(yè)Pt/C催化劑在堿性溶液中的ORR活性