日本发现氮掺杂碳材料作为活性氧电极催化剂的机理

新技术 2018年08月22日
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日本物质材料研究机构(NIMS)在与北海道大学和德国乌尔姆大学的国际联合研究中发现,在碳材料中掺入1 at%以下的微量氮原子后,可变成促进氧还原反应的活性电极催化剂,并成功明确了其活性化机理。氧还原反应是燃料电池的关键步骤之一,目前电极催化剂使用的是稀有资源铂族金属。为了利用不受资源限制的可持续材料制造能源,作为铂族元素的替代材料,碳基电极催化剂的基础研究和应用将会愈发活跃。

燃料电池正极的氧还原反应 (ORR) 是难以激活的反应,该反应决定着燃料电池的效率。此前一直认为,只有铂等特殊金属才能激活ORR,并实现高效反应。不过近年来有报告显示,在碳中掺杂氮的材料也能激活ORR。如果能用常见的碳和氮来替代稀有而昂贵的资源——铂,就能以比现在更低的价格制造环境负荷较低的燃料电池,而且不受资源限制,因此,全球都在推进碳基电极催化剂的研究。但此前一直不清楚碳与氮组合后激活ORR的详细机理。

此次,以NIMS为核心的研发小组制作了氮含量和化学结构不同的多种碳催化剂模型,利用这些催化剂调查了决定整体反应效率的过程和氧吸附方式。另外,还详细观察了催化剂表面的形态和氮分布,设计了能准确反映实验系统的理论模型,并解析了采用碳催化剂的ORR的微观电极过程。结果显示,只需掺入微量的氮,碳就能激活ORR,研发小组还通过实验和理论成功解释了其详细机理。

碳激活ORR的机理

碳激活ORR的机理

今后,研究小组将以此次获得的知识为基础,探索具备更高特性的碳基催化剂,以便利用常见元素高效率生产电能。

相关论文已于2018年8月9日发表在美国化学会期刊《ACS Catalysis》的速报版上。

文 客观日本编辑部

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