【写作竞赛】高效的氧还原泡沫复合催化剂

随着人类智慧积淀、升华,人们的生活越来越舒适、便捷。然而,伴随着人类文明的累累硕果而来的还有日益凸显的能源、环境等诸多问题。为此,开发清洁、高效、可持续使用的新型能源尤其重要。其中,燃料电池和金属空气电池由于具有低污染、高的比功率和比能量等优势在新能源的开发和利用中占据重要位置。但是在实际应用过程中,电池的理论容量并不能全部发挥出来,而阴极上氧还原反应(ORR)导致的极化是金属空气电池和燃料电池能量损失的重要原因之一。如何在保持较快质量传递的同时提高氧还原反应活性是新一代金属空气电池和燃料电池发展中的巨大挑战。

基于Pt等贵金属的催化剂能有效促进氧还原反应的发生,但是,其成本高、稳定性差,这阻碍了贵金属催化剂的实际应用。因此,人们更多关注科学设计具有特殊结构的非贵金属或非金属催化剂来显著提高氧还原反应的活性。具有高效电催化性能的催化剂在结构上要求具有大的比表面积、丰富的孔结构、合适的亲水性,从而促进反应物和产物的快速传递和转移;同时还需兼具良好的导电性骨架和多的活性位,使得电子快速转移和传递;这样,综合考虑液相传质步骤、表面转化步骤和电子转移步骤,从而获得大的动力学反应速度,即具有高的催化活性。另外还要考虑催化剂对甲醇的耐受性和长期使用的稳定性。近日,韩国蔚山科技大学(UNIST)的曹在弼(Jaephil Cho)教授和其研究团队设计了一种独特的、类似于防水大坝一样的多孔结构电极。这种结构新颖的电极材料取材于商业化的三聚氰胺泡沫和商用科琴黑。将三聚氰胺泡沫浸泡在氯化亚铁和商用科琴黑的悬浊液中一段时间,干燥后在高温(800,900,1000 oC)下进行热解,最后通过酸洗除去多余的铁和铁的氧化物等杂质。如此制备出的催化剂材料(Fe/Fe3C-melamine/N-KB)具有比表面积高、活性位点多、孔容大等结构特点,能够有效促进液相传质和电子转移。此种催化剂中存在两类活性位:Fe/Fe3C功能化的三聚氰胺骨架和氮掺杂的科琴黑。这两种物质复合后还体现出很好的协同效应,比其物理混合物具有更好的电催化活性。另外,其电催化活性不受甲醇影响,同时其长时间工作的性能要优于商用的Pt电极。除此以外,他们还组装了锌空气电池对该材料进行性能评价。与商用Pt/C电极相比,新材料在较低电流下电压、能量密度略低,但电流进一步增大后,新材料的性能会优于商用Pt/C电极。

由于三聚氰胺泡沫和科琴黑都已实现商业化生成,其成本相对较低,而且该新材料的合成方法简单可行、便于批量制备。因此这种非贵金属型催化剂有望取代贵金属基催化剂成为新一代价廉高效的金属空气电池和燃料电池的催化剂。

 图1 a) 四针状结构的建筑学实例—防水大坝;内插图为商用三聚氰胺泡沫及其热解产物横截面的SEM照片。相互交叉的多孔结构有利于物质的快速传递。b) Fe/Fe3C-melamine/N-KB复合材料制备过程示意图,其中1)三聚氰胺泡沫浸入FeCl2·4H2O溶液中;2)将科琴黑加入以上混合物中;3)分别在800,900,1000 oC Ar气氛中将上述材料碳化2 h;4)用2 mol/L H2SO4 洗涤,过滤,干燥。