韩开发氮纳米掺杂燃料电池

据外国媒体报道：燃料电池内的氧还原反应（ORR）是确定其性能的基本过程。目前，一般使用铂类催化剂在ORR期间实现高电催化活性，但是铂的不稳定性和稀缺性使得越来越多的研究人员开始寻找无铂的替代材料。

日前，来自韩国的研究人员团队开发了用于燃料电池ORR反应中的高效无金属的氮掺杂纳米（NNO）催化剂。

氮掺杂被证明是提高材料电催化能力及其ORR效率的有效方法，但是到目前为止，许多已有的氮掺杂碳基材料没有提供铂基催化剂中显示的效率，且这些催化剂也不易制得。因此，需要一种具有高ORR活性的新型非金属催化剂。

在不同的方法中，韩国研究人员选择制造碳纳米洋葱结构，并用氮原子掺杂以实现有效的非金属基催化剂。碳纳米洋葱结构基本上可以理解为石墨化纳米金刚石，纳米金刚石是具有球形纳米碳结构，表面积大，机械和电气性能优异的碳材料。

由于碳纳米洋葱结构具有较大的表面积，可显示出丰富的ORR活性位点，但是由于该领域是碳材料研究的新领域，此前鲜有文章进行这方面的报道，掺杂对碳非洋葱结构的影响则从来没有被调查过。

研究人员通过干式爆炸法合成碳纳米金刚石，然后在氮气下进行退火和冷却。随后制备了氧化纳米洋葱结构，然后采用改良的Hummers方法，与尿素混合并热解，产生氮纳米。研究人员通过控制氧化纳米洋葱结构的氧含量来控制纳米洋葱结构上含氮基团的浓度和摩尔比。

研究人员使用众多设备进行了新材料的表征，包括：拉曼光谱（LabRAM HR800，Horiba Ltd），X射线衍射（XRD，D8-Advance，Bruker-AXS），高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM，JEM-2100F， JEOL），X射线光电子能谱（XPS，（K-Alpha +，Thermo Fisher Scientific）），场发射扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（FE-SEM / EDS，Sigma，Carl Zeiss）、比表面积分析仪（BET，3Flex，Micromeritics）。并采用了旋转圆盘电极（RDE，RRDE-3A，ALS Co）和恒电位仪（DY2322，Digi-Ivy）进行电化学测量。

掺杂氮的纳米洋葱结构显示出比无氮纳米洋葱结构更高的起始电位，此外，纳米洋葱结构的OOR活性可以通过增加纳米洋葱结构中的活性位点，即氮基团的数量来增加。研究人员还发现氮掺杂的纳米洋葱结构在ORR中具有比目前的铂催化剂更强的稳定性和耐甲醇交换性。

研究人员还发现，含氧基团和含氮基团的浓度取决于反应时间，反应6个小时后，没有其他氧基加入到纳米洋葱中。

新材料中的含氮活性位点的绝对量在ORR过程中的增加顺序为：NNO-24h 。随着活性位点的数量增加，碳纳米洋葱结构的电催化活性得到改善。研究中最多的活性位点NNO-6h显示了对ORR的电催化活性方面的最佳性能。

研究人员表示，虽然还有一些工作要做，但是材料目前与铂基催化剂可比的性能以及外来可能可以提高的潜力使得其成为未来燃料电池的可选催化剂。材料具有优异的长期稳定性和高甲醇交联性，表明它们将成为ORR的有效催化剂，从而提高其商业生命力。

参考文献：

“Fabrication of nitrogendoped nano-onions and their electrocatalytic activity toward the oxygen reduction reaction”- Choi E. Y., and Kim C. K., Scientific Reports, 2017, DOI:10.1038/s41598-017-04597-6