【写作竞赛】氧还原非金属催化剂明星:杂原子掺杂石墨烯

燃料电池因具有无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作等优点,被认为是21世纪最有发展前景的高效、洁净的发电技术。纵观目前燃料电池面临的挑战,由于阴极氧还原动力学缓慢,为此高性能的氧还原催化剂成为优化燃料电池性能的关键因素之一。

至今,阴极氧还原催化剂表现最优秀的当属铂系催化剂,遗憾的是铂价格昂贵,储量稀缺,抗一氧化碳毒化差等问题大大限制了铂催化剂的发展。为此,近年来很多科研工作者致力于开发低铂或非铂催化剂。其中杂原子掺杂的石墨烯材料,表现出高的电催化活性,一氧化碳抗毒化能力,廉价,环境友好等优点,成为非铂催化剂中的明星。

虽然合成氮掺杂的石墨烯方法很多,如化学气相沉积,电弧放电,石墨烯与氨气之间的热处理等等,但合成其他杂原子掺杂的石墨烯仍面临巨大的挑战,如何克服石墨烯在掺杂过程的不可逆团聚仍然是急需解决的问题。

近期,上海交通大学的冯新亮教授课题组设计出一种新的借助模板的方法,即在石墨烯-介孔硅片基础上,通过石墨烯与氨气或硫化氢之间的热反应有效的合成氮或硫掺杂的石墨烯。石墨烯两面的超薄多孔硅层充当硬模板,不仅有利于气体传输到石墨烯表面,加强热反应,而且能有效阻止石墨烯在杂原子掺杂过程中的不可逆团聚。此种杂原子掺杂的石墨烯具有很高的比表面积(816 m2 g-1),远超过普通的其他类似材料(200到500 m2 g-1)。最值得关注是此种材料表现出与商业铂碳相当的电催化活性,比商业铂碳更好的循环稳定性。作者强调此工作第一次证明硫能并入石墨烯,且主要以类似噻吩硫的类型掺杂,同时氮主要以吡啶氮,吡咯氮,石墨氮三种类型并入石墨烯。

结合此种氮或硫掺杂的石墨烯材料的高比表面积,高导电性,杂原子的成功引入等优点,其除了应用于电催化外,还可以应用于电子,电容器,电池等领域。这种合成理念别具匠心,高效合理,也为其他杂原子(磷,硼,氟)的掺杂提供了参考依据。