高效CoOx-N-C复合氧还原催化剂

advs能源和环境是现代人类社会的经济与文明持续高速发展的依靠和保障,随着工业经济的发展和人类生活水平的日益改善,人类对能源的需求也在不断改变和日益增加。众所周知,目前能源主要来自不可再生的化石能源,而人们在寻求经济快速发展的同时,对这类能源过度利用,使这些能源的储量急剧下降,另外能源燃烧排放出的废气对生态环境也造成了巨大污染。因此开发可持续发展并且清洁的新能源迫在眉睫。目前开发的各种可再生能源生产和存储技术中,燃料电池、金属-空气电池等能量转化装置以其效率高、结构简单、环境友好和应用范围广等优点受到广泛关注,而氧还原反应(ORR)是这些能量转化装置中的一个关键步骤。

由于ORR动力学比较迟缓,这些能量转化装置需要一个具有高氧还原活性的催化剂。迄今,基于铂的贵金属是最好的氧还原催化剂,但这些贵金属成本高、储量少、不耐用,限制了其大规模应用。价格低廉、高效的非贵金属催化剂是电化学工作者共同追求的目标。

南京工业大学材料化学工程国家重点实验室邵宗平教授和周嵬教授及其研究团队在提高纳米级钴基粒子(氧化钴、氧化亚钴和碳层包裹的单质钴)与氮掺杂碳的复合物的氧还原能力方面取得重要进展。他们以三聚氰胺作为软模板,氨基葡萄糖盐酸盐和乙二胺四乙酸作为碳源和氮源,并与硝酸钴混合均匀,再经惰性气氛焙烧得到最终的纳米级钴基粒子与氮掺杂碳的复合材料。通过各种表征及电化学性能测试讨论了该材料高氧还原能力的机理,说明单质钴与其他钴物种之间存在协同效应。同时发现在原料中多加入了可以和钴离子发生螯合作用的乙二胺四乙酸,最终可以提高复合产物中的吡啶氮的含量和比表面积,同时形成更好的碳壳保护层,从而使催化剂的ORR活性超过Pt/C催化剂。该催化剂有望成为贵金属催化剂的代替品,从而实现在质子交换膜燃料电池、电金属-空气电池等领域的大规模应用。该工作发表于Advanced Science。

相关工作得到了千人计划青年项目、江苏省特聘教授项目、国家自然科学基金、江苏省高校优势学科建设工程、江苏省教育委员会重点项目、江苏省青年基金的资助。