非金属碳基催化剂制备获突破 可提升电极反应和电池性能

近日,天津工业大学、北京大学和中科院大连化学物理研究所的研究人员合作,在非金属碳基催化剂制备和氧还原反应(ORR)研究方面取得突破性进展,获得sp2碳和sp3碳共存且氮掺杂的三维碳泡沫。

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该项研究的结果表明,该三维碳泡沫不但显示出优异的催化活性,而且起峰电位、半波电位和Tafel斜率均优于商业化的Pt/C催化剂。同时,利用该三维碳泡沫作为阴极催化剂组装锌—空气电极,电池的功率密度最高可达222.0MW/cm2,并且在长达100小时的性能测试中显示出良好的稳定性。

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此外,研究人员通过理论计算同样证实,sp3碳和sp2碳界面的氮原子对于碳材料的氧还原反应性能具有决定性的影响作用。该工作不但为碳材料的合成和催化应用开辟了新的思路和方法,而且证实在分子水平上可以实现碳材料的设计和可控合成。

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新型能源转换技术和清洁能源的开发对于我国能源供给和环境保护至关重要。氧还原反应是燃料电池和金属空气电池中的电极反应。

其中催化剂对于电极反应性能和电池性能提升具有关键性作用。然而,氧还原催化剂的研究主要集中于Pt基催化剂,成本较高,严重限制其大规模应用。

近年来,碳基催化剂作为一种低成本高效的催化剂受到关注,然而目前碳基催化剂的制备和应用研究主要集中在sp2碳,比如石墨烯。而sp3碳由于催化活性低、高温稳定性和导电性差等原因,在催化方面鲜有报道。

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