变草为宝:干草水热转化制备高效碳基电催化剂

Small燃料电池是当今最重要的清洁能源技术之一,其中电化学催化下的氧还原半反应(ORR)效率是决定其性能的关键因素。尽管Pt/C电催化剂具有优秀的ORR催化活性,但铂固有的昂贵性及稀有性极大地限制了其在燃料电池技术中的大规模应用。因此,发展廉价、高效、来源丰富的非铂电催化剂是解决燃料电池广泛应用的技术关键。近期研究成果证明,杂原子(如:N,S,B,P等)掺杂、共掺杂的碳基纳米材料具有优异的ORR催化活性,是替代Pt/C电催化剂的理想材料。然而,目前ORR碳基电催化剂制备方法存在三个缺点:(1)需使用正在迅速枯竭的石油原料制备的化学试剂为前躯体;(2)需要利用多种前躯体提供碳结构生长所需的碳源及掺杂所需的杂原子源;(3)无法一步完成碳结构生长及掺杂。

全球每年产生2000亿吨光合有机生物质,其中数十亿吨为植物类生物质(如:树木、秸秆、杂草等)。但是这些本应成为宝贵资源的生物质,除少部分被有效利用外,其余全部被焚烧或经自然降解而被消耗,在造成巨大资源浪费的同时,所产生的大量二氧化碳及甲烷等温室气体对环境造成恶劣影响。植物类生物质除富含可供碳结构生长的碳源外还含有掺杂所需的杂原子,如氮元素,是替代石化原料制备ORR碳基电催化剂的理想原料。基于此,澳大利亚格里菲斯大学清洁环境与能源中心赵惠军教授课题组发展了一种环境友好、经济、简便的水热合成方法,使用干草(也可使用鲜草,树叶,农作物秸秆等)为唯一原料,在仅有去离子水存在条件下实现了一步水热法制备基于氮掺杂碳纳米粒子/纳米片聚集体的高性能ORR电催化剂。该催化剂在所有重要指标上表现出等同于或优于Pt/C催化剂。该项研究为使用廉价、来源丰富的天然生物质原料替代石化原料制备高附加值功能碳材料做出了有益的探索。