基于金属有机框架设计高性能双金属碳氮共催化剂

随着传统化石能源的日益短缺和生态环境的污染,如何保证人类社会的可持续发展是我们目前所面临的巨大挑战。微生物燃料电池作为一种利用微生物分解有机物(如废弃物中的有机组分),并能够产生电能的技术,得到了人们的广泛关注。然而,由于微生物燃料电池系统高昂的价格,严重阻碍了其在市场上的应用。其中,以贵金属(如铂)为主的阴极催化剂的耗费就占电池系统总体造价的近50%。因此,寻找催化性能好,成本低的阴极催化剂材料成为微生物燃料电池领域的研究热点。

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图1 具有优异氧还原性能的微生物燃料电池双金属碳氮催化剂

最近,武汉理工大学唐浩林教授与中山大学卢锡洪副教授最近共同合作开发了一种以金属有机框架(Metal Organic Framework)为前驱体的双金属碳氮共催化纳米材料。该材料以Co-MOF为前驱体,并掺杂Ni,Fe,Zn,Cu等元素,经过高温碳化合成双金属含氮多孔碳材料。金属以及氮元素均匀的分布在石墨化的碳材料中,为催化氧气还原反应提供了丰富的活性位点,而石墨化的碳则可优化电子传输通道,降低极化和内阻,保证了其在碱性及中性环境下优于铂碳的催化性能,这其中以Ni掺杂的材料性能最佳。在PBS (pH=7)缓冲溶液中其氧还原起峰电位在0.347 V vs. SCE,同时用它作为微生物燃料电池的阴极催化剂,组装成器件进行测试,发现其功率密度高达4335.6 mW m-2,并具有很好的耐久性,能够稳定运行755 h。该工作不仅开发出了一种性能优越的非贵金属微生物燃料电池阴极催化剂,而且提供了一个以MOF作为功能碳材料前驱体从而合成其他材料的普适方法。

相关成果最近发表在《Advanced Science》(2015, DOI: 10.1002/advs.201500265)上。