燃料電池是一種將燃料（例如氫氣，甲醇等）的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的清潔能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其理論能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)的限制，接近100%。然而，陰極氧氣還原反應(yīng)（ORR）緩慢的動力學(xué)過程和高的過電位導(dǎo)致其實際轉(zhuǎn)化效率僅為45%-55%左右。目前高性能催化劑仍局限于鉑基貴金屬，其高昂的價格與資源有限性不利于燃料電池的規(guī)?；逃谩Ｒ虼?，探索價格低廉且高效耐用的ORR催化劑對燃料電池的商業(yè)化至關(guān)重要。
在過去的幾十年里，過渡金屬氮碳基材料(M/N/C)由于其ORR活性可與商業(yè)Pt/C催化劑相媲美而被廣泛關(guān)注并嘗試應(yīng)用于燃料電池器件中，但其性能離燃料電池實際應(yīng)用的需求還有較大差距。理解這類催化劑目前的研究現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)有助于進一步開發(fā)高性能非貴金屬燃料電池氧還原催化劑。
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所胡勁松研究員和萬立駿院士等在SCIENCE CHINA Chemistry雜志上發(fā)表了題為“Advanced Transition Metal/Nitrogen/Carbon-based Electrocatalysts for Fuel Cell Applications”的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了近年來M/N/C結(jié)構(gòu)電催化劑在燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用的研究進展和目前仍面臨的挑戰(zhàn)（見下圖）。
在文章中，作者首先綜述了M/N/C催化劑的類型及常見合成方法。根據(jù)活性位點的結(jié)構(gòu)，熱處理獲得的M/N/C催化劑可分為三種類型。第一種是單原子催化劑，其結(jié)構(gòu)為原子分散的金屬-氮-碳(M-N-C)，其中M-Nx通常被認(rèn)為是ORR活性位點；第二種是包裹在N摻雜碳?xì)ぶ械奶钾?fù)載金屬納米顆粒(M@NC)，其中金屬和氮共同活化的碳位點通常被認(rèn)為是活性中心。第三種是包含上述兩種結(jié)構(gòu)的催化劑。文章隨后介紹了對M-N-C和M@NC結(jié)構(gòu)中活性位點的研究和催化劑活性來源的認(rèn)識。這些理解對于合成高ORR活性的M/N/C結(jié)構(gòu)有著重要的指導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，文章分別總結(jié)了近年來在M-N-C和M@NC結(jié)構(gòu)中提升本征活性和增加活性位點密度的代表性策略，并討論了M-N-C和M@NC兩種位點之間的協(xié)同作用以進一步提升ORR性能。此外，燃料電池的性能不僅取決于本征活性和活性位點密度，還受到催化劑結(jié)構(gòu)的影響。為了將催化劑的理論性能轉(zhuǎn)化為高性能和耐用的器件，文章還介紹了催化劑的結(jié)構(gòu)調(diào)控以提高器件性能和耐久性研究方面的最新進展。針對實際應(yīng)用所關(guān)注的催化劑低成本和宏量制備，介紹了M/N/C催化劑的廉價宏量制備策略。最后，展望了M/N/C催化劑未來發(fā)展中的挑戰(zhàn)和機遇。
Tang Tang, Liang Ding, Zhe Jiang, Jin-Song Hu & Li-Jun Wan. Advanced Transition Metal/Nitrogen/Carbon-based Electrocatalysts for Fuel Cell Applications. Sci. China Chem. 2020。https://doi.org/10.1007/s11426-020-9835-8
